Океанские микробы демонстрируют скрытый талант: выделение бесчисленных крошечных липидных пузырьков

В поисках возобновляемого источника энергии перспективными выглядят системы с использованием водорослей. Однако, после 30 лет работы, коммерчески жизнеспособное производство биотоплива из водорослей не достигнуто, отчасти из-за дорогих и энергоемких процессов извлечения липидов.

Другой вариант — использование бактерий. На протяжении 25 лет Салли (Пенни) Чисхолм изучает океаническую бактерию Prochlorococcus — самый многочисленный и маленький (менее 1 микрона в диаметре) фотосинтезирующий организм на Земле, ответственный за 10% всей фотосинтетической активности.

В 2010 году эта бактерия преподнесла сюрприз: в процессе роста она естественным образом выделяет небольшие сферические везикулы, окруженные мембраной и содержащие жирные масла. Это открытие было сделано случайно с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Это открытие замечательно по двум причинам:

  1. Выделение везикул никогда ранее не наблюдалось у морских организмов, что может изменить понимание морских экосистем и глобального углеродного цикла.
  2. Это первое наблюдение выделения везикул у фотосинтезирующего организма. Для промышленного использования, включая производство биотоплива, это значимо: получая лишь солнечный свет, CO2 и воду, Prochlorococcus непрерывно выделял бы липидные везикулы, которые можно собирать, не уничтожая культуру бактерий.

Технические задачи и новые данные

Исследователи сосредоточились на фундаментальном понимании этого поведения. Стивен Биллер разработал методы культивирования больших количеств Prochlorococcus, а также техники фильтрации, концентрирования и очистки везикул. Самая большая проблема — подсчет отдельных везикул диаметром менее 100 нм — была решена адаптацией методов анализа наночастиц.

Используя новые подходы, было установлено:

  • Концентрация везикул в растущих культурах высока: они превосходят по численности сами клетки Prochlorococcus (в некоторых случаях в 10 раз).
  • Везикулы генерируются штаммами, растущими как при ярком, так и при тусклом свете.
  • Везикулы стабильны в лабораторных условиях: их размер и концентрация оставались практически неизменными в течение двух недель.
  • Везикулы содержат не только липиды, но также ДНК, РНК и разнообразный набор белков.

Липиды в везикулах Prochlorococcus не являются оптимальными для производства биотоплива. Однако, благодаря простому геному, эта бактерия — хорошая модель для изучения механизмов формирования везикул. Поняв, как это работает, механизм можно будет использовать в более устойчивых и быстрорастущих организмах, манипулируя содержимым везикул.

Полевые исследования расширяют возможности

На основе лабораторных данных исследователи оценили, что Prochlorococcus по всему миру может выделять порядка 1027 везикул в день. Полевые измерения в прибрежных водах Массачусетса и в бедных питательными веществами водах Саргассова моря подтвердили наличие многочисленных везикул. Анализ показал, что везикулы содержали ДНК многих видов бактерий, а не только Prochlorococcus.

Это открытие потенциально расширяет явление выделения везикул на множество организмов, распространенных в океанских системах от полюса до полюса.

Зачем это нужно бактерии? Гипотезы

Выделение органического углерода кажется расточительным для "оптимизированного" организма. Ученые выдвинули несколько гипотез о функции везикул:

  1. Питание для гетеротрофов. Лабораторные эксперименты показали, что везикулы могут служить питанием для морских гетеротрофов (нефотосинтезирующих организмов), в компании с которыми Prochlorococcus растет лучше. Взамен гетеротрофы, возможно, обезвреживают токсичные кислородные соединения, от защиты от которых Prochlorococcus "отказался" в процессе эволюционной оптимизации.

  2. Защита от фагов (вирусов бактерий). Поверхность везикулы содержит материал внешней мембраны клетки-родителя, включая рецепторы, которые фаги используют для идентификации "добычи". Везикулы могут служить ложной целью. Эксперименты показали, что фаги прикрепляются к везикулам и вводят в них свою ДНК, становясь неактивными.

  3. Обмен генетическим материалом. Везикулы, содержащие ДНК, могут быть еще одним механизмом обмена генами между бактериями, увеличивая генетическое разнообразие и распространяя полезные гены.

Преимущества комплексного подхода

Результаты подтверждают валидность многолетнего подхода Чисхолм к изучению Prochlorococcus — интегративной системной биологии, охватывающей масштабы от генов и клеток до популяций, сообществ и глобальных процессов. Такой всесторонний подход в конечном итоге будет иметь значение для любого крупномасштабного производства биомассы для биотоплива и других высокоэнергетических соединений.

2014-07-08