Новый ген может помогать бактериям выживать в экстремальных условиях
После разлива нефти на платформе Deepwater Horizon в 2010 году в Мексиканском заливе наблюдался всплеск численности бактерий, питающихся метаном, который выходил из поврежденной скважины вместе с нефтью. Этот внезапный приток микробов был научной загадкой, так как до разлива признаков таких бактерий в этом районе было относительно мало.
Исследователи из MIT обнаружили бактериальный ген, который может объяснить этот внезапный всплеск. Этот ген позволяет бактериям выживать в экстремальных, бедных кислородом средах, оставаясь в спящем состоянии до тех пор, пока не появятся пища (например, метан) и кислород, необходимый для её метаболизма. Ген кодирует белок HpnR, ответственный за выработку бактериальных липидов, известных как 3-метилгопаноиды. По мнению учёных, производство этих липидов может лучше подготовить микроорганизмы, испытывающие нехватку питательных веществ, к внезапному появлению в природе при благоприятных условиях.
Липид, производимый белком HpnR, также может использоваться в качестве биомаркера (сигнатуры в горных породах) для идентификации резких изменений уровня кислорода в течение геологической истории.
"Нас интересует то, что это может быть окно в геологическое прошлое", — говорит постдок MIT Паула Веландер, руководившая исследованием. "В геологической летописи, многие миллионы лет назад, мы видим ряд массовых вымираний, где также есть свидетельства истощения кислорода в океане. Именно в эти ключевые события и сразу после них мы также видим увеличение всех этих биомаркеров, а также признаки климатических нарушений".
Веландер и профессор Роджер Саммонс опубликовали свои результаты на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Признак в породах
Одним из ключевых биомаркеров, которые геологи используют для идентификации древнейших форм жизни, является класс липидов под названием гопаноиды. Их прочная молекулярная структура сохранила их в осадочных породах в течение миллиардов лет. Веландер предположила, что гопаноиды могут быть маркерами не только ранних форм жизни, но и экологических явлений, таких как периоды очень низкого содержания кислорода.
Для проверки теории она исследовала современный штамм бактерий Methylococcus capsulatus, который обитает в бедных кислородом средах (гидротермальные источники, грязевые вулканы) и эффективно потребляет метан. Этот организм интересен своим строением: он содержит тип гопаноида с пятикольцевой молекулярной структурой, содержащей C-3 метилирование. Такие метилирования в кольцевой структуре особенно хорошо сохраняются в древних породах.
Эксперимент с геном hpnR
Веландер изучила геном бактерии и идентифицировала ген hpnR, который кодирует белок HpnR, связанный именно с C-3 метилированием. Она разработала метод удаления этого гена, создав мутантный штамм.
Команда выращивала культуры как мутантного, так и дикого (неизмененного) штамма в условиях низкого содержания кислорода и высокого уровня метана в течение двух недель, моделируя бедную кислородом среду.
- В первую неделю разницы между двумя группами почти не было.
- Однако на 14-й день исследователи наблюдали, как дикий штамм начал опережать в росте мутантные бактерии.
- Когда Веландер вернула ген hpnR обратно в мутантные бактерии, они восстановили рост до уровня дикого штамма.
Объяснение: сохранение мембран
Используя электронную микроскопию, команда обнаружила разительное отличие в клеточной структуре: в то время как дикий тип был заполнен нормальными мембранами и вакуолями, у мутантного штамма их не было.
Отсутствие мембран — ключ к функции липида. Учёные предполагают, что ген hpnR может сохранять клеточные мембраны бактерий, укрепляя микроб в периоды истощения питательных веществ.
"У вас есть эти сообщества, которые просто выживают, как могут", — говорит Веландер. "А затем, когда они получают всплеск кислорода или метана, они могут очень быстро восстановиться. Они действительно готовы воспользоваться чем-то подобным".
Геологическое значение
Результаты особенно важны с геологической точки зрения. Если 3-метилгопаноиды действительно позволяют бактериям выживать в периоды низкого содержания кислорода, то всплеск связанного с ними липида в геологической летописи может указывать на резкое снижение уровня кислорода в истории Земли. Это поможет геологам лучше понять периоды массовых вымираний или крупных вымираний в океанах.
"Первоначальной целью было сделать это лучшим биомаркером для геологов", — говорит Веландер. "Но в итоге мы также хотим оказать более широкое влияние, например, понять, как микроорганизмы взаимодействуют с углеводородами в окружающей среде".