Учёные открыли новый способ кооперации микроорганизмов через прямое электрическое соединение

Микробиологи из Университета Массачусетса в Амхерсте Дерек Ловли, Зарат Саммерс и коллеги сообщают в выпуске Science от 2 декабря об открытии нового кооперативного поведения у анаэробных бактерий — межвидового переноса электронов. Это открытие может иметь важные последствия для понимания глобального углеродного цикла и развития биоэнергетики.

Учёные обнаружили, что микроорганизмы разных видов (в данном случае два вида Geobacter) могут формировать прямые электрические соединения и передавать электрический ток от одной микробной клетки к другой. Благодаря такой кооперации два микроба могут потреблять питательные вещества, которые ни один из них не мог использовать по отдельности.

Клеточные агрегаты, или «великие шары эволюции», которые Саммерс вырастила в лаборатории, очень похожи на встречающиеся в природе скопления, участвующие в разложении органического вещества в парниковые газы — диоксид углерода и метан. Превращение отходов в метан с помощью микробных агрегатов — всё более популярный метод получения природного газа как возобновляемого источника энергии. Другие подобные агрегаты можно найти поглощающими метан у гидротермальных источников на дне океана.

В обоих случаях исследователи годами не могли понять, как функционируют эти агрегаты, поскольку 40-летняя парадигма межвидового переноса водорода не соответствовала наблюдениям. Теперь эта загадка, похоже, решена.

Как объясняет главный исследователь Ловли, они поместили микробы в условия, где те должны были работать вместе, чтобы выжить и расти, используя предоставленный им в качестве источника энергии спирт. С поддержкой программы Genomic Science Program Министерства энергетики США его лаборатория изучает способность микроорганизмов адаптироваться к новым условиям и разрабатывает микробов для практического применения.

С 1960-х годов было известно, что микроорганизмы могут косвенно обмениваться электронами через процесс межвидового переноса водорода, когда один микроб производит водород, а другой его потребляет. Именно эксперименты аспирантки Саммерс по дальнейшему изучению этого явления привели к открытию нового процесса прямого переноса.

Сначала Саммерс поместила два вида Geobacter вместе в условиях, которые должны были благоприятствовать взаимодействию через водород. Первоначально клетки действительно кооперировались для потребления спирта, обмениваясь водородом. Со временем они также начали слипаться, превращая культуру из рассеянных микроскопических клеток в коллекцию сложных многоклеточных структур диаметром в миллиметры.

Игнорируя предложения коллег встряхнуть культуры и разбить неожиданные сгустки клеток, Саммерс позволила сферам расти. Теперь они приобрели тёмно-красный цвет из-за присутствия железосодержащих белков — цитохромов. При наблюдении под электронным микроскопом стало ясно, что они развили сложную структуру с системой каналов, предположительно для поступления питательных веществ. Они также установили совершенно новые электрические соединения, позволившие им напрямую обмениваться электронами.

«Прямой перенос электронов гораздо эффективнее, и таким образом они потребляют спирт намного быстрее», — отмечает Саммерс.

Секвенирование ДНК из больших красных шаров раскрыло секрет этого электрического соединения: мутация в одном из видов Geobacter заставила его производить гораздо больше цитохрома, известного как OmcS. Предыдущие исследования в лаборатории Ловли показали, что OmcS выстраивается вдоль электропроводящих нитей Geobacter, известных как микробные нанопровода.

«Этот поворот событий намекал, что цитохром является ключом к электрическому соединению между клетками», — говорит Саммерс. Это было подтверждено в последующих экспериментах с генетически модифицированными микробами. Когда исследователи удалили гены цитохрома или нанопроводов, микробы не формировали красные шары и никогда не использовали эффективно своё спиртовое «топливо». Таким образом, Ловли, Саммерс и коллеги точно определили источник нового поведения микробов.

Дальнейшие эксперименты показали, что если мутацию вводили до объединения двух Geobacter, они быстро формировали шары и потребляли спирт. Удаление гена, необходимого для обмена водородом между клетками, также ускоряло формирование шаров, демонстрируя, что межвидовой перенос водорода не был важным фактором. «Это ясный пример того, как жизнь эволюционирует, чтобы функционировать более эффективно в новой среде», — говорит Ловли.

«Мы предполагаем, что многие типы природных агрегатов полагаются на межвидовой перенос электронов», — сказал Ловли. — У нас уже есть некоторые хорошие предварительные доказательства этого для более сложных природных систем. С помощью секвенирования ДНК мы можем определить, как микробы эволюционируют, когда перед ними ставят задачу работать лучше. Мы можем многое узнать об основных механизмах интересующего нас процесса».