Обнаружен новый метаболический путь в микробиоме рубца

Коровы могут адаптироваться к колебаниям содержания натрия в корме. Как именно они это делают, до сих пор оставалось загадкой. Исследователи из Университета Гёте обнаружили в микробиоме рубца бактерию с новым типом клеточного дыхания.

Корова может переваривать траву в рубце только с помощью миллиардов микроорганизмов. Целый зоопарк бактерий, архей и простейших работает там как на производственной линии: сначала эти одноклеточные расщепляют целлюлозу (полисахарид). Другие бактерии ферментируют высвободившиеся сахара в жирные кислоты, спирты и газы, такие как водород и диоксид углерода. Наконец, метаногенные археи превращают эти два газа в метан.

Средняя корова производит около 110 литров метана в день. Он выделяется через рот при жвачке, но также снова смешивается с частично переваренной пищей. В результате содержание натрия в травяной пульпе может значительно колебаться (от 60 до 800 миллимолей хлорида натрия (NaCl) на литр).

Немецко-американская исследовательская группа обнаружила, как рубцовые бактерии адаптируются к этим экстремальным колебаниям содержания натрия. Биоинформатический анализ генома рубцовых бактерий позволил их американскому коллеге Тиму Хэкманну предположить, что у некоторых из них есть две разные дыхательные цепи: одна функционирует с ионами натрия, а другая — без.

Исследователи изучили типичного представителя микробиома жвачных — бактерию Pseudobutyrivibrio ruminis. В культуре этого микроорганизма действительно удалось подтвердить существование обеих дыхательных цепей. Как сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), переносчик электронов ферредоксин (Fd) восстанавливается при окислении сахара. Восстановленный ферредоксин запускает обе дыхательные цепи.

Первая дыхательная цепь включает ферментный комплекс Fd:NAD+ оксидоредуктазу (комплекс Rnf). Он использует энергию для выкачивания ионов натрия из клетки. Когда ионы натрия возвращаются в клетку, они активируют АТФ-синтазу, что приводит к производству АТФ. Эта цепь работает только в присутствии ионов натрия.

Вторая дыхательная цепь активируется в отсутствие ионов натрия. Бактерия формирует альтернативную цепь с другим ферментным комплексом: Ech-гидрогеназа (синоним: Fd:H+ оксидоредуктаза) производит водород и выкачивает протоны из клетки. Если эти протоны возвращаются в клетку через вторую АТФ-синтазу, которая принимает протоны, но не ионы натрия, также производится АТФ.

Это первая бактерия, в которой были подтверждены две такие разные простые дыхательные цепи. Однако биоинформатические анализы предполагают, что они также встречаются и у других бактерий, что указывает на более широкое распространение этой адаптационной стратегии.

Интересно, что оба ферментных комплекса (Rnf и Ech) также были обнаружены у эволюционно древних бактерий, но всегда по отдельности, а не вместе. Теперь исследователи планируют использовать методы синтетической микробиологии для создания гибридных бактерий, содержащих оба комплекса, чтобы оптимизировать их для биотехнологических процессов. Это позволит повысить клеточное содержание АТФ и производить продукты более высокого качества. В частности, планируется использовать дыхательные цепи для получения ценных веществ путем ферментации синтез-газа в рамках проекта, поддерживаемого Федеральным министерством образования и научных исследований Германии.