Минимальные энергетические требования для жизни микробных сообществ: новая модель

Микробные сообщества — это сложные динамические системы, состоящие из сотен видов и их взаимодействий. Они встречаются в океанах, почве, кишечнике животных и корнях растений. Каждая система поддерживает экосистему Земли и собственный рост, поскольку обладает своим метаболизмом, лежащим в основе биогеохимических циклов.

Эти же метаболические процессы на уровне сообществ используются в биотехнологии для очистки воды и производства биоэнергии из органических отходов. Поэтому способность оценивать скорость роста и метаболическую активность внутри сообществ ключева для моделирования динамики экосистем планеты, здоровья животных и растений, а также биотехнологической переработки отходов.

Модели таких систем должны учитывать как кинетические, так и термодинамические ограничения, присущие микробному росту, что является сложной задачей из-за комплексности этих систем.

Однако в статье «Thermodynamic modeling of synthetic communities predicts minimum free energy requirements for sulfate reduction and methanogenesis», опубликованной 6 мая в Journal of the Royal Society Interface, исследователи из Школы наук о жизни Уорикского университета представили расширяемую термодинамическую модель для симуляции динамики микробных сообществ.

Для разработки и калибровки термодинамической модели роста микроорганизмов и динамики метаболитов в микробном контексте учёные сосредоточились на определённых анаэробных синтетических сообществах — они разлагают биоразлагаемый материал в отсутствие кислорода.

Они использовали недавно разработанную экспериментальную модель для изучения синтрофных взаимодействий между сульфатредукторами и метаногенами, которые составляют ключевую часть анаэробных микробных сообществ в реакторах, пресноводных и эстуарных отложениях.

Исследователи определили минимальное энергетическое требование для данного метаболического пути. Это доказало, что экспериментальные данные можно использовать для оценки энергетических потребностей микробных путей, и позволило получить такие оценки для метаногенеза (производства метана) и сульфатредукции.

Профессор Оркун Сойер из Школы наук о жизни Уорикского университета комментирует:

«Микробы играют решающую роль в опосредовании биохимических превращений в окружающей среде. Эти превращения в конечном итоге позволяют высшим организмам, таким как мы и растения, получать необходимые для жизни метаболиты и лежат в основе биогеохимических циклов, которые делают Землю обитаемой планетой. Лучшее понимание этих процессов требует моделирования биохимических превращений, опосредованных микробами.

Наша недавняя работа создаёт универсальную платформу для этой цели и представляет термодинамическую модель микробных превращений. Эта модель лучше отражает динамику метаболических превращений и позволяет оценить минимальные энергетические требования для таких превращений на основе экспериментальных данных».