Новые археи, обитающие в исключительно соленой и исключительно щелочной среде, получают метан не так, как большинство их «коллег»-метаногенов.
Когда мы говорим о том, что жизнь на земле вездесуща и может существовать даже в самых экстремальных обстоятельствах, то обычно имеем в виду бактерий и архей. Многие из них комфортно чувствуют себя в чрезвычайно соленой среде и называются галофилами; так, галоархеи живут в насыщенных солевых растворах, в которых доля солей составляют 36 объёмных процентов.
Разумеется, у них есть множество молекулярно-биохимических ухищрений, позволяющих выживать в столь необычной обстановке; впрочем, вряд ли тут можно говорить о выживании – для галоархей в таких условиях нет ничего необычного, более того, если их поместить в воду с низкой концентрацией солей, их клетки мгновенно распадутся на части.
С другой стороны, те же археи демонстрируют широкое разнообразие в смысле источников энергии и источников углерода для синтеза биологических макромолекул. Скажем, среди архей есть много метаногенных видов, которые получают энергию, восстанавливая соединения углерода с помощью водорода. (Напомним – клетки всех животных, птиц, насекомых, растений и т. д. получают энергию, окисляя углеродные соединения с помощью кислорода.)
Очень часто исходным сырьем служит углекислый газ, который археи превращают в воду и метан (почему и называются метаногенными). Некоторые из них используют не углекислый газ, а уксусную кислоту, некоторые – другие одноуглеродные соединения; химия реакции тогда получается иной, но, так или иначе, на выходе все равно получится метан, а выделившуюся энергию архея запасет для своих нужд. Кислород метаногены не любят, и потому для жизни выбирают места в глубине болот, на океанском дне рядом с гидротермальными источниками или в пищеварительном тракте жвачных копытных и человека.
Считается, что когда-то давно некоторые из метаногенных архей освоили соленые экологические ниши и дали начало галоархеям. Однако сейчас всего лишь некоторые из солелюбивых архей продуцируют метан, так что приходится допустить, что, если одни и произошли от других, то со временем галофилы освоили другие метаболические схем получения энергии. Тем не менее, сама эволюционная гипотеза получила недавно солидное подтверждение: Дмитрий Сорокин из Института микробиологии имени С. Н. Виноградского Российской академии наук (РАН) и Делфтского технического университета вместе с коллегами из США, Великобритании, Испании и Германии нашел в одном из сибирских соляных озер две разновидности метаногенных архей.
Все началось с того, что в осадке карбонатных солей из озера удалось обнаружить ДНК с генами, свойственными метаногенам, но при том эти гены были достаточно далеки от похожих генов в других микробах. Чтобы узнать, кому же они принадлежат, исследователи собрали из очень соленого и очень щелочного озера несколько штаммов архей и попытались вырастить их в лаборатории.
В итоге, как было сказано выше, удалось идентифицировать двух архей, которые хорошо себя чувствовали при температуре 50–55 °С, при рН около 10 (то есть в исключительно щелочной среде) и при очень высокой концентрации солей, кроме того, для полного комфорта им был нужен сульфид железа. Но метан они делали не из углекислого газа и не из уксусной кислоты, а из смеси муравьиной кислоты и метанола (или триметиламина вместо метанола), причем только комбинация двух веществ позволяла археям запускать метаногенный путь получения энергии. Такой способ энергетического метаболизма был открыт давно, но долгое время считался чем-то вроде эволюционного курьеза; теперь же можно сказать, что в действительности микроорганизмы используют его шире, чем мы думали.
Геномный анализ показал, что общим предком обеих новых архей были метаногены – иными словами, это не галофилы, которые научились метаногенному метаболизму; то есть, как было сказано выше, гипотезу о происхождении солелюбивых архей от метаногенных предков снова удалось доказать. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Microbiology.
Теперь Дмитрию Сорокину и его коллегам предстоит в деталях изучить тот биохимический механизм, который используют новооткрытые археи для добывания энергии из одноуглеродных органических соединений, и те гены, которые его регулируют. Также было бы интересно узнать, как эти археи существуют в экосистеме озера, как конкурируют – или сотрудничают – с другими местными микроорганизмами и т. д.
Отдельный интерес связан с вышеупомянутым сульфидом железа: археям он определенно нужен, но в их клетках его нет, внутрь они его не поглощают, то есть он нужен именно в окружающей среде, снаружи. Изучая таких микробов, мы не только больше понимаем о том, как шла эволюция на Земле, но делаем шаг к новым источникам энергии – ведь вполне можно представить, что такие метаногенные археи смогут обеспечить нас метаном, перерабатывая какие-нибудь синтетическую бесполезную органику.
Автор: Кирилл Стасевич