Вчені виявили мікроб, який перетворює вуглець на енергію

Незвичайний режим енергетичного метаболізму, виявлений у нещодавно ідентифікованого мікроба, дає нове розуміння примітивних життєвих процесів і пропонує багатообіцяючі біотехнологічні застосування. Розкопаний у глибоких джерелах північної Каліфорнії, цей організм перетворює вуглекислий газ у багаті енергією хімічні речовини за допомогою раніше невідомого метаболічного шляху, потенційно імітуючи механізми раннього життя та прокладаючи шлях для прогресу у виробництві мікроорганізмів і біопалива.

Відкриття унікального мікроба

Вчені RIKEN виявили новий мікроб, який може дати ключові відомості про походження життя на Землі, пошуки позаземного життя та досягнення у виробництві на основі мікробів. Їхні дослідження, проведені в суворих, глибоководних джерелах північної Каліфорнії, виявили мікроорганізм, який перетворює вуглекислий газ на інші хімічні речовини. Цей процес не лише генерує енергію, але використовує раніше невідомий метаболічний шлях, що передбачає нові методи фіксації вуглецю, які можуть імітувати найдавніші форми енергетичного метаболізму на нашій планеті.

«Це справді незвично», — каже Шіно Сузукі, провідний автор дослідження та мікробіолог, який очолює лабораторію геобіології та астробіології в кластері піонерських досліджень RIKEN у Вако, Японія.

Незвичайні умови, в яких живуть мікроорганізми, можуть бути кандидатом на те середовище, в якому зародилося життя на Землі, тому цей новий вид фіксації вуглецю «може представляти один із найперших процесів перетворення енергії первісного життя», — каже Сузукі. Виявляється, його також можна використовувати для стимулювання мікробного виробництва хімічних речовин і біопалива.

Незвідані мікробні світи

Мікроб, тип одноклітинної форми життя, відомої як археон, походить з потойбічної екосистеми під назвою Кедри. Цей геологічний скарб, розташований приблизно за 150 кілометрів на північ від знаменитого мосту Золоті Ворота Сан-Франциско, характеризується химерними мінеральними утвореннями, спричиненими реакцією певних підземних порід із водою. Цей процес створює воду, яка багата кальцієм, воднем і метаном, але не містить інших інгредієнтів, які зазвичай необхідні для життя. З усім тим життя там вирує.

Приблизно 15 років тому Сузукі та її співробітники почали характеризувати мікроби в цьому ворожому середовищі, використовуючи передові методи генетичного секвенування, щоб ідентифікувати бактерії та археї в цих незвіданих сферах. Вони зіткнулися з різними екзотичними мікробами, кожен з яких мав відмінні геномні особливості та метаболічні функції.

Деякі харчувалися воднем, а інші споживали розчинені мінерали в лужних водах. Але, мабуть, ніхто не був більш дивним і захоплюючим, ніж Met12.

Генетичні знання та мікробна адаптація

Met12 — це численний археон, який мешкає в глибоких ґрунтових водах Кедрів. Генетичний аналіз показав, що він тісно пов’язаний з групою анаеробних мікробів, відомих своєю здатністю виробляти метан як побічний продукт метаболізму. І все ж у Met12 відсутні гени, необхідні для виробництва метану.

Замість цього мікроб покладається на альтернативний метаболічний шлях, у якому вуглекислий газ перетворюється на органічну молекулу під назвою ацетат без будь-якого виділення метану в процесі. Примітно, що в цій операції йому допомагає унікальний ген під назвою MmcX.

Цей ген, як показали Сузукі та її команда, допомагає підвищити здатність Met12 імпортувати електрони, забезпечуючи більш надійний енергетичний метаболізм. Ця адаптація має вирішальне значення для того, щоб мікроб процвітав у місцевості, такій як Кедри, яка, на перший погляд, здається абсолютно негостинною для такого життя.

За словами Сузукі, відкриття демонструє форму життя, яка адаптується до екстремальних умов несподіваним чином, відкриття, яке може відображати те, як примітивне чи навіть позаземне життя виникло в таких суворих умовах, які, як вважають, існували на ранній Землі чи інших планетах. «Це може дати певне уявлення про походження життя», — каже Сузукі.

Нові межі мікробної інженерії

Коли Сузукі разом із колегами зі Сполучених Штатів, Данії та інших країн Японії вперше виявив Met12, вони не повірили своїм власним висновкам. «Я сумнівався в собі, — каже Сузукі. «Я думав, що зробив помилку».

Маючи лише доступні генні послідовності, їм довелося використати метод, щоб реконструювати циклічний геном мікроба. Культивування Met12 в лабораторії виявилося складним завданням, тому вони не змогли перевірити його існування традиційними мікробіологічними методами. Звернувшись до синтетичної біології, дослідникам довелося застосувати творчі методи перевірки, щоб переконати себе, що організм справжній.

Вони вставили ген MmcX у паличкоподібну бактерію, сконструйовану за допомогою генної інженерії, щоб не володіти активністю перенесення електронів. Це налаштування допомогло врятувати здатність мікроба поглинати електрони навіть до того, що вона перевищила нормальний рівень. Проводячи подальші експерименти, дослідники дійшли висновку, як Met12 здатний використовувати ці електрони для полегшення енергетичного обміну, використовуючи вуглекислий газ як основне джерело палива.

Потенційні застосування та майбутні дослідження

Відкриття має практичне значення. Бактерія, в якій вони посилили метаболічну активність і універсальність, зазвичай використовується для виробництва біопалива. Використовуючи MmcX, Suzuki сподівається підвищити ефективність генно-інженерних мікробів, які покладаються на передачу електронів, щоб допомогти у виробництві хімікатів і біопалива. Їхня інновація призвела до подання патенту на цю молекулярну технологію.

Характеристика цього археону може також допомогти у поглинанні вуглецю, що є пріоритетом для зменшення викидів для уповільнення темпів зміни клімату. Можливості для інновацій не закінчуються на MmcX. Suzuki очікує, що подальші виняткові відкриття стануть результатом додаткових розвідок Кедрів та дослідження інших унікальних середовищ із невикористаними резервуарами генетичного різноманіття.

Зараз її команда шукає екстремофільні організми в таких місцях, як гарячі джерела Хакуба-Хаппо в Японських Альпах, високолужне гаряче джерело з такими ж умовами, як Кедри, і підводні вулкани найглибшої у світі морської западини, Маріанської западини, розташований у західній частині Тихого океану.