Вчені виявили, що третя форма життя виробляє енергію «чудовими» способами

Оскільки світ звертається до зеленого водню та інших відновлюваних джерел енергії, вчені виявили, що археї – третя форма життя після бактерій та еукаріотів – протягом мільярдів років виробляли енергію за допомогою газоподібного водню та «ультрамінімальних» ферментів. Зокрема, міжнародна група дослідників виявила, що щонайменше дев’ять типів архей, домену одноклітинних організмів без внутрішніх мембранних структур, виробляють газоподібний водень за допомогою ферментів, які, як вважають, існують лише у двох інших формах життя.

Вони зрозуміли, що археї не тільки мають найменші ферменти, що використовують водень, порівняно з бактеріями та еукаріотами, але їхні ферменти для споживання та виробництва водню також є найскладнішими, охарактеризованими досі. Маленькі та могутні, ці ферменти, здавалося, дозволили археям виживати та процвітати в деяких із найбільш ворожих середовищ Землі, де майже немає кисню.

«Люди лише нещодавно почали думати про використання водню як джерела енергії, але археї робили це вже мільярд років», — каже Пок Ман Леунг, мікробіолог з Університету Монаша в Австралії, який керував дослідженням. «Тепер у біотехнологів є можливість черпати натхнення в цих археях для промислового виробництва водню».

Водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті, який використовується в усьому світі для виробництва добрив та інших хімікатів, обробки металів, харчових продуктів і очищення палива. Але майбутнє водню — за накопиченням енергії та виробництвом сталі, які можна виробляти з нульовими викидами, якщо використовувати відновлювану енергію для перетворення таких матеріалів, як вода, на водень.

Мікроорганізми виробляють і виділяють газоподібний водень (H₂) для зовсім інших цілей, головним чином для утилізації надлишкових електронів, утворених під час бродіння, процесу, за допомогою якого організми витягують енергію з вуглеводів, таких як цукри, без кисню.

Ферменти, які використовуються для споживання або виробництва H_2, називаються гідрогеназами, і вони вперше були всебічно досліджені на дереві життя лише вісім років тому. Відтоді кількість відомих мікробних видів різко зросла, особливо архей, які ховаються в екстремальних середовищах, таких як гарячі джерела, вулкани та глибоководні джерела.

Однак більшість архей відомі лише з фрагментів їхнього генетичного коду, знайденого в цих середовищах, і багато з них не культивувалися в лабораторії, оскільки це дуже важко зробити. Таким чином, мікробіолог з Університету Монаша Кріс Грінінг і його колеги шукали ген, що кодує частину одного типу гідрогенази, гідрогенази швидкої дії [FeFe], у більш ніж 2300 кластерах видів архей, перелічених у глобальній базі даних.

Потім вони доручили Google AlphaFold2 передбачити структуру закодованих ферментів і експресувати ці ферменти в бактеріях кишкової палички, щоб перевірити, чи ці гени справді функціональні та виробляють гідрогенази, здатні каталізувати водневі реакції в їхньому сурогатному хазяїні.

«Наше відкриття наближає нас до розуміння того, як цей важливий процес призвів до появи всіх еукаріотів, включаючи людей», — говорить Леунг.

Еукаріоти — це організми, клітини яких містять ядро ​​та пов’язані з мембраною органели, такі як мітохондрії та інші корисні клітинні фабрики.

Вважається, що всі еукаріоти виникли в результаті об’єднання анаеробної археї та бактерії, яку вона поглинула мільярди років тому. Другий, набагато пізніший ендосимбіоз дав початок предку рослин із хлоропластами. Грінінг, Леунг та їхні колеги знайшли генетичні інструкції для гідрогеназ [FeFe] у дев’яти типах архей і підтвердили, що вони справді активні в цих мікроорганізмах, що робить три з трьох сфер життя, які використовують ці типи ферментів для виробництва водню.

Але на відміну від бактерій та еукаріотів подальший аналіз показав, що археї збирають «чудові гібридні комплекси» для своїх потреб у виробництві водню, зливаючи разом два типи гідрогеназ.

«Ці знахідки розкривають нові метаболічні адаптації архей, спрощені каталізатори H₂ для біотехнологічного розвитку та напрочуд переплетену еволюційну історію між двома основними ферментами, що метаболізують H₂», — пише команда у своїй статті.

Проте багато каталогізованих геномів архей, проаналізованих у цьому дослідженні, є неповними, і хто знає, скільки видів ще належить відкрити. Цілком ймовірно, що археї містять інші геніальні способи отримання енергії, які нам ще належить знайти. Дослідження опубліковано в Cell.