Исследование переноса электронов у микроорганизмов

Всем живым организмам, включая микроорганизмы, необходима энергия. Часто она генерируется в клетках при дыхании — «сжигании» органических соединений (пищи). В этом процессе высвобождаются электроны, от которых микроорганизмам нужно избавиться. В отсутствие кислорода они могут использовать другие методы, например, переносить электроны на минералы вне клеток.

Скорости восстановления сильно различаются

В бескислородных почвах или осадках оксиды железа играют важную роль как акцепторы высвобожденных электронов. Но как электроны попадают из процесса дыхания в клетке к оксидам железа снаружи? Для этого микроорганизмы могут использовать специальные молекулы — внеклеточные электронные челноки (EES). Они принимают два электрона на поверхности клетки и, как такси, транспортируют их к оксидам железа. Там электроны «выходят» из челнока, восстанавливая трёхвалентное железо в оксидах до двухвалентной формы. Затем челнок свободен для переноса новых электронов.

EES известны давно, но до сих пор было неясно, почему их эффективность так сильно зависит от структуры и условий среды, а скорость восстановления оксида железа может различаться на несколько порядков. Все попытки объяснить эти различия известными параметрами (pH, температура) не удавались.

Электроны нужно рассматривать по отдельности

Исследование Eawag и ETH Zurich, опубликованное в PNAS, показывает, что различия в эффективности EES можно объяснить одной чёткой закономерностью. «В нашей модели мы рассматривали не среднюю энергию двух транспортируемых электронов, как делалось ранее, а индивидуальный энергетический уровень каждого электрона», — сообщает ведущий автор работы Мерет Эппли.

«Оказывается, перенос первого электрона от EES к оксиду железа часто значительно менее энергетически выгоден, чем перенос второго», — поясняет эколог-химик Eawag Томас Хофштеттер. Исследователи показали, что именно разница в энергии для переноса первого электрона определяет скорость восстановления железа.

Эта концепция позволяет объяснить различия в эффективности между разными EES в широком диапазоне pH, а также между двумя разными оксидами железа. Михаэль Зандер из ETH Zurich объясняет процесс аналогией: «При многих условиях первый электрон очень неохотно покидает «такси» EES, но он выталкивается, так сказать, со второго сиденья вторым электроном».

Визуализация переноса электронов с помощью УФ-света

Для своих выводов авторы не только провели собственные эксперименты, но и интегрировали данные предыдущих исследований. В лабораториях использовались природные и синтетические молекулы EES и два распространённых оксида железа(III). Скорость переноса электронов от EES к оксиду железа (и, следовательно, эффективность транспорта) можно наблюдать с помощью УФ-света, который поглощается по-разному в зависимости от того, «заряжены» челноки двумя электронами или нет.

Маленький, но ключевой шаг

Исследование описывает один маленький, но критически важный шаг в микробном дыхании. Теперь, когда анаэробное дыхание с использованием минеральных фаз и EES понято на общем уровне, стало проще сравнивать разные исследования и системы. Эта работа особенно важна для тех, кто изучает анаэробно дышащие микроорганизмы и углеродный обмен.

Этот шаг крайне важен для понимания глобальных биогеохимических процессов, например, анаэробного разложения органических веществ в тающих арктических почвах, в ходе которого высвобождаются огромные количества климатически значимого CO₂.