В этих микробах железо работает как кислород

Две статьи из геонаучной лаборатории UW–Madison проливают свет на любопытную группу бактерий, которые используют железо почти так же, как животные используют кислород: для поглощения электронов в биохимических реакциях. Когда организмы — будь то бактерии или животные — окисляют углеводы, электроны должны куда-то деваться.

Исследования могут пролить свет на извечный вопрос о возникновении жизни, а также имеют более практическое применение в поиске жизни в космосе, говорит старший автор Эрик Роден, профессор геонаук UW–Madison.

Животные используют кислород и «восстанавливают» его с образованием воды, но некоторые бактерии используют железо, бедное электронами, восстанавливая его до более богатой электронами формы элемента. Иронично, что богатые электронами формы железа также могут отдавать электроны в противоположной реакции «окисления», в которой бактерии буквально «едят» железо для получения энергии.

Железо — четвертый по распространенности элемент на планете, и поскольку свободного кислорода не хватает под водой и под землей, бактерии «придумали» или эволюционировали другое решение: переносить электроны на железо при метаболизме органического вещества.

Эти бактерии «едят органическое вещество, как и мы», — говорит Роден. «Мы передаем электроны от органического вещества к кислороду. Некоторые из этих бактерий используют оксид железа в качестве акцептора электронов. С другой стороны, некоторые другие микробы получают электроны, донируемые другими соединениями железа. В обоих случаях перенос электронов необходим для их энергетических циклов».

Будь то реакция окисления или восстановления, способность перемещать электрон необходима бактериям для обработки энергии, питающей их жизнедеятельность.

Роден десятилетиями изучал железометаболизирующие бактерии. «Я сосредотачиваюсь на активности и химической обработке микроорганизмов в природных системах, — говорит он. — Мы собираем материал из окружающей среды, приносим в лабораторию и изучаем метаболизм с помощью серии геохимических и микробиологических измерений».

Текущие исследования сосредоточены на образцах бактерий из горячего источника Шоколадный Горшок (Chocolate Pot), относительно прохладного геотермального источника в Йеллоустонском национальном парке, названного так из-за темного красно-коричневого цвета оксида железа(III). Связанные исследования касаются культуры, полученной из гораздо менее благоприятной среды — канавы в Германии. Обе статьи опубликованы онлайн в журналах Applied and Environmental Microbiology и Geobiology.

В ходе исследований Роден, аспирант Нейтан Фортни и научный сотрудник Шаомэй Хэ изучили, как культивируемые организмы изменяют степень окисления — количество электронов — в соединениях железа. Они также использовали продвинутый прибор для секвенирования генома в UW–Madison Biotechnology Center для идентификации последовательностей ДНК в геномах.

«Более 99% микробного разнообразия нельзя получить в чистой культуре», — говорит Хэ, что означает, что их нельзя вырастить в виде одного штамма для анализа. «Вместо того чтобы проходить долгий, трудоемкий и часто безуспешный процесс выделения штаммов, мы применяем геномные инструменты, чтобы понять, как организмы делали то, что они делали, в смешанных сообществах».

Исследователи обнаружили некоторые неизвестные бактерии, способные к метаболизму железа, а также получили генетические данные об уникальной способности, которой обладают некоторые из них: способности транспортировать электроны в обоих направлениях через внешнюю мембрану клетки. «Бактерии не только эволюционировали метаболизм, открывающий ниши для использования железа в качестве источника энергии, — говорит Хэ, — но эти новые механизмы транспорта электронов дают им способ использовать формы железа, которые нельзя занести внутрь клетки».

«Это фундаментальные исследования, но эти химические превращения лежат в основе всех видов экологических систем, связанных с почвой, осадками, грунтовыми водами и сточными водами», — говорит Роден. «Например, Министерство энергетики США заинтересовано в поиске способа получения энергии из органического вещества с помощью активности железометаболизирующих бактерий». Эти бактерии также критически важны для жизнетворного процесса выветривания горных пород в почву.

Железометаболизирующие бактерии известны уже столетие, говорит Роден, и фактически были обнаружены в грунтовых водах района Мэдисона. «Геологи увидели организмы, которые образовывали эти уникальные структуры, видимые в световой микроскоп. Они образовывали стебельки или чехлы, и оказалось, что они используются для перемещения железа».

Роден и Хэ — геобиологи, интересующиеся тем, как микробы влияют на геологию, но значение микробов в эволюции Земли только сейчас начинает полностью осознаваться, говорит Роден. «Брови поднялись, когда мы три или четыре года назад связались с Biotech Center, чтобы обсудить секвенирование: "Кто эти люди из геологии, и о чем они говорят?" Но мы persevered, и это превратилось в довольно крутое сотрудничество, которое позволило нам применять их отличные инструменты, которые обычно используются для биомедицинских и смежных микробиологических вопросов».

Некоторые железометаболизирующие бактерии появляются довольно рано на древе жизни, что делает исследования актуальными для открытия происхождения жизни, но выводы также имеют значение для поиска жизни в космосе, говорит Роден. «Наша поддержка поступает от астробиологического института NASA в UW–Madison. Возможно, что на каменистой планете, такой как Марс, жизнь могла бы полагаться на метаболизм железа вместо кислорода.

«Фундаментальный подход в астробиологии — использовать земные участки в качестве аналогов, где мы ищем понимание возможностей на других мирах, — продолжает Роден. — Некоторые полагают, что использование оксида железа в качестве акцептора электронов могло быть первой или одной из первых форм дыхания на Земле. А железа так много на каменистых планетах».