Новини

Біологи з Констанца розкрили унікальний і стародавній бактеріальний метаболізм на основі фосфору. Центральними для цього відкриття є чотири елементи: аналітичний розрахунок, датований 1980-ми роками, сучасна очисна споруда, ідентифікація нового виду бактерій і залишок приблизно 2,5 мільярда років тому.

Наша історія починається в кінці 1980-х, з аркуша паперу. На цьому аркуші вчений підрахував, що перетворення хімічної сполуки фосфіту у фосфат вивільнить достатньо енергії для виробництва носія енергії клітини – молекули АТФ. Таким чином, мікроорганізм повинен мати можливість забезпечувати себе енергією. На відміну від більшості живих організмів на нашій планеті, цей організм не буде залежати від джерела енергії від світла або від розкладання органічної речовини.

Вченому фактично вдалося виділити такий мікроорганізм із навколишнього середовища. Його енергетичний метаболізм заснований на окисленні фосфіту до фосфату, як і передбачено розрахунком. Але як саме працює біохімічний механізм? На жаль, ключовий фермент, необхідний для розуміння біохімії процесу, залишився прихованим, і тому таємниця залишалася нерозгаданою протягом багатьох років. У наступні три десятиліття аркуш лежав у шухляді, дослідницький підхід був відсунутий на другий план. Але вчений не міг викинути цю думку з голови.

Вченим є Бернхард Шинк, професор Лімнологічного інституту Університету Констанца. Через три десятиліття після того, як він зробив розрахунок на папері, несподіване відкриття знову зрушило з місця.

Те, що було в його голові багато років, нарешті було знайдено: з усіх місць на каналізаційній станції в Констанці, лише за кілька кілометрів від лабораторії Бернхарда Шинка. Чжуцин Мао, доктор біології з Констанца, вивчив зразок осаду стічних вод і виявив другий мікроорганізм, який також отримує енергію з фосфіту. Біологи Констанца на чолі з Бернхардом Шінком помістили цю бактерію в середовище, в якому джерелом їжі для неї був лише фосфіт. І справді: популяція бактерій зростала.

«Ця бактерія живе за рахунок окислення фосфіту, і, наскільки нам відомо, виключно за рахунок цієї реакції.  Таким чином він покриває свій енергетичний метаболізм і одночасно може створювати свою клітинну речовину з CO _{2 », — пояснює Шинк.} «Ця бактерія є автотрофним організмом, як і рослина. Однак йому не потрібне світло, як рослині, оскільки він черпає енергію з окислення фосфіту». Дивно, але виявилося, що бактерія є не тільки новим видом, але фактично утворює абсолютно новий рід бактерій.

Відстеження молекулярного механізму

З цього моменту все сталося дуже швидко. Ціла мережа дослідників Констанца присвятила себе розкриттю таємниці, в тому числі Бернхард Шинк, Ніколай Мюллер, Девід Шлехек, Дженніфер Флемінг і Ольга Майанс. Вони виробили чисту культуру цього нового бактеріального штаму, в якій вони нарешті змогли ідентифікувати ключовий фермент, який запускає окислення фосфіту до фосфату.

«Прорив стався завдяки Ніколаю Мюллеру та його експериментам із ферментами», — каже Девід Шлехек. Ніколаю Мюллеру вдалося чітко продемонструвати активність ферменту, тим самим розкривши біохімічний механізм ключового ферменту. Ольга Майанс і Дженніфер Флемінг створили тривимірну модель його ферментної структури та активного центру, щоб зрозуміти шлях реакції.

«Що було дуже дивним, так це те, що під час окислення фосфіт, очевидно, з’єднується безпосередньо з попередником носія енергії AMP, за допомогою чого створюється носій енергії ADP. У наступній реакції два з утворених АДФ перетворюються на один АТФ, за рахунок якого в кінцевому підсумку живе організм», — окреслює шлях реакції Ніколай Мюллер.

Нарешті все зійшлося: оригінальний аркуш став цілою купою паперів, результатом чого стала публікація в науковому журналі PNAS.

Залишок 2,5 мільярда років тому

Відкриття нового типу енергетичного обміну саме по собі є великим науковим успіхом. Проте дослідницька група вважає, що цей тип метаболізму аж ніяк не новий, а дуже давній, навіть давній: близько 2,5 мільярдів років.

«Передбачається, що на початку еволюції, коли Земля охолоджувалася, фосфор все ще був значною мірою в частково відновленій формі і лише пізніше поступово окислювався. Метаболізм, який ми зараз виявили, дуже добре вписується в ранню фазу еволюції мікроорганізмів», — пояснює Бернхард Шинк.

Тому біохімічний механізм, який бактерія використовує для свого метаболізму, не є новим, але, швидше за все, зберігся з первісних часів нашої планети: коли на нашій планеті зародилося життя і перші мікроорганізми харчувалися неорганічними сполуками, такими як фосфіт. Таким чином, нові наукові відкриття дають підказки до ранньої біохімічної еволюції на нашій планеті. Крім того, вони надають ключ до біохімічного механізму, який робить можливим життя в дуже ворожих місцях, можливо, навіть на чужих планетах.