Микроорганизмы в море организуют электроснабжение с помощью нанопроводных "кабелей"

Некоторые микроорганизмы, по-видимому, используют удобный тип энергоснабжения — электричество из "розетки". Клетки могут удовлетворять свои энергетические потребности в форме электричества через нанопроводные соединения. Исследователи из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене обнаружили эти, возможно, самые маленькие в мире энергосети, изучая клеточные агрегаты микроорганизмов, разлагающих метан. Они состоят из двух совершенно разных типов клеток, которые могут совместно разлагать метан. Учёные обнаружили проволочно-подобные соединения между клетками, которые важны для обмена энергией.

Спектральным научным открытием стало обнаружение в 2010 году электрической "проводки" между микроорганизмами, использующими железо в качестве источника энергии. Сразу возник вопрос, является ли обмен электрической энергией обычным явлением для других микробно-опосредованных реакций. Одним из таких процессов была анаэробная оксидация метана (AOM), ответственная за разложение парникового газа метана на морском дне и, следовательно, имеющая большое значение для климата Земли. Участвующие в этом микроорганизмы были впервые описаны в 2000 году исследователями из Бремена и с тех пор тщательно изучались.

Парниковый газ метан в морском дне

В океане метан образуется при разложении мёртвой биомассы в подповерхностных осадках. Метан поднимается вверх к морскому дну, но прежде чем достигнуть толщи воды, он разлагается особыми консорциумами архей и бактерий. Археи поглощают метан и окисляют его до карбоната. Они передают энергию своим бактериям-партнёрам, чтобы реакция могла протекать. Бактерии, чтобы получить энергию, дышат сульфатом вместо кислорода (сульфатредукторы). Это может быть древний метаболизм, уже имевший значение миллиарды лет назад, когда атмосфера Земли была бескислородной. Однако до сих пор неизвестно, как биохимически работает анаэробное окисление метана.

Гюнтер Вегенер, соавтор публикации вместе с аспиранткой Виолой Крукенберг, говорит: "Мы сосредоточились на термофильных консорциумах AOM, живущих при 60 градусах Цельсия. Впервые нам удалось изолировать бактерий-партнёров, чтобы выращивать их отдельно. Затем мы систематически сравнили физиологию изолята с физиологией культуры AOM. Мы хотели узнать, какие вещества могут служить переносчиком энергии между археями и сульфатредукторами". Большинство соединений было быстро исключено. Сначала в качестве источника энергии рассматривался водород. Однако археи не производили достаточного количества водорода, чтобы объяснить рост сульфатредукторов, — поэтому исследователям пришлось изменить стратегию.

Прямые "силовые провода" и переносчики электронов

Одной из возможных альтернатив был поиск прямых соединений, направляющих электроны между клетками. При изучении термофильных культур AOM с помощью электронной микроскопии эта идея подтвердилась. Диетмар Ридель, руководитель службы электронной микроскопии Института Макса Планка в Гёттингене, говорит: "Было действительно сложно визуализировать кабелеподобные структуры. Мы заливали агрегаты под высоким давлением, используя разные заливочные среды. Ультратонкие срезы этих агрегатов затем исследовали в почти нативном состоянии с помощью просвечивающей электронной микроскопии".

Виола Крукенберг добавляет: "Мы нашли все гены, необходимые для биосинтеза клеточных соединений, называемых пилями. Только когда метан добавляется в качестве источника энергии, эти гены активируются, и пили образуются между бактериями и археями".

Длиной в несколько микрометров эти "провода" могут намного превышать длину клеток, но их диаметр составляет всего несколько нанометров. Эти "провода" обеспечивают контакт между близко расположенными клетками и объясняют пространственную структуру консорциума, как показала группа исследователей под руководством Виктории Орфан из Caltech.

"Консорциумы архей и бактерий широко распространены в природе. Наш следующий шаг — выяснить, показывают ли другие типы также такие нанопроводные соединения. Важно понять, как работают разлагающие метан микробные консорциумы, поскольку они выполняют важные функции в природе", — объясняет Антье Бётиус, руководитель исследовательской группы в Институте в Бремене.