Бактерии раскрывают скрытые возможности передачи электронов

Микробы — мастера выживания, эволюционирующие с изобретательными стратегиями для захвата энергии из окружающей среды. Десятилетиями учёные полагали, что лишь горстка бактерий использует специализированные молекулярные "схемы" для переноса электронов за пределы клетки — процесс, известный как внеклеточный перенос электронов (EET). Этот механизм критически важен для круговорота углерода, серы, азота и металлов в природе и лежит в основе приложений от очистки сточных вод до биоэнергетики и материалов для биоэлектроники.

Исследователи из KAUST обнаружили, что эта удивительная способность гораздо более универсальна и распространена, чем считалось ранее. Работа опубликована в The ISME Journal.

Изучая Desulfuromonas acetexigens — бактерию, способную генерировать высокие электрические токи — команда объединила биоэлектрохимию, геномику, транскриптомику и протеомику, чтобы картировать её аппарат переноса электронов. К их удивлению, D. acetexigens одновременно активировала три различных пути переноса электронов, которые ранее считались эволюционировавшими отдельно у неродственных микробов: системы металл-восстанавливающую (Mtr), внешнемембранного цитохрома (Omc) и порин-цитохромную (Pcc).

"Это первый случай, когда мы видим, как один организм экспрессирует эти филогенетически далёкие пути параллельно", — говорит первый автор Дарио Рангел Шоу. "Это бросает вызов давнему представлению о том, что эти системы были эксклюзивны для определённых групп микробов".

Команда также идентифицировала необычно крупные цитохромы, включая один с рекордными 86 гем-связывающими мотивами, что может обеспечивать исключительную способность к переносу и хранению электронов. Тесты показали, что бактерия может направлять электроны непосредственно на электроды и природные минералы железа, достигая плотностей тока, сравнимых с модельным видом Geobacter sulfurreducens.

Расширив анализ на общедоступные геномы, исследователи идентифицировали более 40 видов Desulfobacterota, несущих сходные многопутевые системы в разнообразных средах — от осадков и почв до сточных вод и гидротермальных источников.

"Это раскрывает непризнанную ранее универсальность микробного дыхания", — объясняет соавтор исследования Кришна Катури. "Микробы с множественными путями переноса электронов могут получить конкурентное преимущество, используя более широкий спектр акцепторов электронов в природе".

Последствия выходят далеко за рамки экологии. Использование бактерий, способных применять множественные стратегии переноса электронов, может ускорить инновации в биоремедиации, очистке сточных вод, производстве биоэнергии и биоэлектронике. Например, электроактивные биоплёнки, подобные формируемым D. acetexigens, могут помочь извлекать энергию из отходов, одновременно очищая их от загрязнителей.

"Наши находки расширяют известное разнообразие белков переноса электронов и подчёркивают неиспользованные микробные ресурсы", — добавляет Паскаль Сайкали, руководивший исследованием. "Это открывает дверь для проектирования более эффективных микробных систем для устойчивых биотехнологий".

Открытие того, что одна бактерия может использовать несколько путей, подчёркивает, как много ещё предстоит изучить в микробном мире и как эти скрытые стратегии могут питать более чистое и устойчивое будущее.