Раскрыт метаболический секрет потребляющих этан архей

Ученые из Бремена (Германия) охарактеризовали новые ферменты из глубоководных микробов, играющие ключевую роль в процессе разложения этана, что выявило неожиданности в метаболизме этих организмов.

Пробел в энергетическом механизме, предположенный по геномным данным

Анаэробное окисление этана было описано несколько лет назад, и многие его секреты еще предстоит раскрыть. "Когда мы рисовали химические реакции этого пути на бумаге, то обнаружили большие пробелы в неизученной биохимии. Мы предположили, что вовлеченные организмы должны получать клеточную энергию через неизвестный путь", — объясняет первый автор Оливье Лемер.

Два последних фермента процесса генерируют диоксид углерода (CO₂) из этана. Другие микробы используют белок ферредоксин для захвата электронов, образующихся по ходу реакции. "Это также предполагалось для окислителей этана. Однако, изучив геном микробов, мы обнаружили, что у них нет ферментативных инструментов для получения клеточной энергии с использованием ферредоксина. Значит, должно быть задействовано что-то еще", — говорит Лемер.

Сложное исследование, достигнутое благодаря сотрудничеству

Решение этой загадки стало возможным благодаря тесному сотрудничеству внутри институтов-партнеров. Группе Гюнтера Вегенера удалось отобрать образцы осадков из гидротермальных источников, богатых природным газом, и культивировать в лаборатории консорциум микробов, разлагающих этан, что является очень сложной задачей.

Используя эти культуры, группа Тристана Вагнера смогла выделить и охарактеризовать ферменты, участвующие в окислении этана. "Выделение ферментов из такой ценной и сложной микробной культуры — настоящий вызов, но нам удалось это сделать благодаря большим усилиям и скрупулезности", — говорит Вагнер.

Другой ферментативный состав ведет к метаболической перестройке

Проведенные анализы показали, что оба фермента содержат дополнительный белок, электронно связанный с остальной частью фермента через "проводку" из атомов железа и серы. Эта субъединица позволяет использовать альтернативный акцептор электронов — F₄₂₀, молекулу на основе флавина (класса химических веществ, важных и для человека, например, как витамин B2).

"Ферментные комплексы CO₂-образующих ферментов и F₄₂₀-редуктаз ранее были неизвестны", — говорит Вагнер. Исследователи подтвердили дополнительными экспериментами, что оба фермента используют F₄₂₀ в качестве акцептора электронов. "Это открытие нарушает догму в научной области анаэробного метаболизма, расширяя представления о возможностях этих ферментов".

"Мы предполагаем, что сопряжение генерации CO₂ с F₄₂₀ в качестве акцептора электронов может стимулировать весь процесс. Затем электроны переносятся через клеточную мембрану к другому микробу, восстанавливая сульфат, что является общим принципом в консорциумах, окисляющих алканы", — говорит Гюнтер Вегенер.

Веха в понимании разложения этана

Раскрыв эту метаболическую загадку, Лемер и его коллеги выявили ключевой аспект жизнедеятельности микробов, разлагающих этан, которые играют важную роль в углеродном цикле. Исследование также показывает, что знания, полученные на нескольких модельных организмах, нельзя просто переносить на родственные виды, и что задействованные ферменты могут быть более универсальными, чем предполагалось.

"Наше исследование иллюстрирует, как мало мы знаем о метаболизме этих микробов, которые живут на нашей планете миллиарды лет и могут адаптироваться ко многим средам, и насколько важно понимать их с помощью экспериментальных методов", — заключает Вагнер.

Исследование имеет далеко идущие последствия, поскольку процесс окисления алканов, осуществляемый этим типом микроорганизмов, является важнейшим элементом биологического фильтра, существующего в морских сипах, предотвращающего массивный выброс природных алканов в атмосферу и морскую воду. Таким образом, работа дает ключевое представление о роли микроорганизмов в трансформации органического вещества.