Микробы устанавливают электрическое соединение с внешним миром для получения энергии роста
Микробы могут быть крошечными, но они оказывают огромное влияние на Землю и её обитаемость. Они уникально отличаются от животных, растений и других эукариотических организмов способностью получать энергию, "дыша" удивительно широким спектром поверхностей и материалов. Микробы также радикально меняют свою среду, питаясь этими источниками энергии, что делает их ключевыми игроками в круговороте и доступности питательных веществ на Земле. Особенно известный пример — повышение уровня кислорода на Земле из-за метаболизма фотосинтезирующих бактерий.
В последние годы учёные обнаружили удивительный новый процесс, с помощью которого микробы могут "дышать" камнями через процесс, называемый внеклеточным переносом электронов (extracellular electron transfer, EET). С помощью EET микробы способны "дышать" камнями и другими материалами вне своей клетки. Другими словами, микробы буквально устанавливают электрическое соединение с внешним миром, которое используют для генерации энергии, необходимой для роста. Исследователи нашли прорывные применения для микробов, способных к EET, например, для помощи в очистке токсичных отходов и в качестве источника альтернативной энергии.
В новом исследовании в mBio учёные из Гарварда и Университета Миннесоты исследовали древо жизни в поисках EET и обнаружили, что он гораздо более распространён, чем считалось ранее, и распространяется посредством горизонтального переноса генов. Один набор генов, делающий EET возможным, называемый mtrCAB, был особенно хорошо изучен у бактерии Shewanella oneidensis. Shewanella oneidensis была одним из первых обнаруженных организмов, способных к EET, и изучалась в лаборатории десятилетиями.
"Многое в нашем понимании mtrCAB исходит из исследований этого конкретного организма", — сказала соавтор Изабель Р. Бейкер. "Но мы не знаем, насколько широко распространён этот тип метаболизма среди всех ветвей жизни. Понимание его распространённости поможет нам определить, где этот метаболизм участвует в глобальных биогеохимических циклах".
Бейкер и её коллеги объединили усилия с экспертами по EET из Университета Миннесоты. Их предыдущая работа показала, что mtrCAB обеспечивает EET по крайней мере у двух других видов помимо Shewanella.
Объединив экспертизу и глобальную базу данных, исследователи обнаружили, что эти гены существуют у гораздо большего числа организмов, чем предполагалось, и в самых разных средах по всему миру.
"Мы нашли эти гены у микробов по всей планете, практически в любой среде: в глубинах океана, солончаках, на нефтеперерабатывающих заводах, в кишечнике человека и даже в сточных водах, загрязнённых в рамках Манхэттенского проекта", — сказала Бейкер.
Дальнейший анализ показал, что этот набор генов интенсивно передавался горизонтально на протяжении истории жизни.
"Приобретение генов аналогично установке приложения на телефон для получения новой функции. Горизонтальный перенос генов часто связывают с устойчивостью к антибиотикам, но здесь мы видим, что метаболическая способность, EET, перемещается в бактериальные геномы и из них", — сказал Джеффри А. Гралник.
Исследователи предположили, что всякий раз, когда гены попадали в разные виды, гены, участвующие в EET, со временем менялись, чтобы лучше соответствовать физиологии нового организма и среде его обитания.
"Это как само собой разумеющееся, что микробы действительно формируют нашу планету, а EET всегда рассматривался как нишевая способность", — сказал Питер Р. Гиргис. "Но мы изучили всю геномную информацию о животных, археях, бактериях и всех других формах жизни и обнаружили, что он гораздо более распространён, чем предполагалось. Все идентифицированные нами организмы способны подключаться непосредственно к субстратам в своей среде и изменять то, что там доступно".
"Доступность этих различных субстратов меняется со временем по мере эволюции Земли, будь то естественным образом или под влиянием человека", — сказала Бейкер. "Понимание того, как эти белки могли совместно эволюционировать с историей кислорода на Земле, очень важно. Это может помочь нам понять, помог ли этот метаболизм или подобный ему сыграть роль в одном из масштабных преобразований поверхности нашей планеты, которые привели к возникновению современного мира, каким мы его знаем".