Некоторые микроорганизмы пользуются проводами для получения энергии

Клетки способны удовлетворять свои энергетические потребности в электричестве посредством нанопроводных связей.

Исследователи из института Макса Планка открыли эти возможно наименьшие энергосистемы в мире, исследуя совокупности разлагающих метан микроорганизмов. Они состоят из двух совершенно разных клеточных типов, которые могут разлагать метан лишь вместе.

Между клетками ученые нашли похожие на провода связи, которые участвуют в энергообмене.

В 2010 году было совершено удивительное научное открытие: исследователи выявили электропроводку между микроорганизмами, использующими железо в качестве источника энергии.

Немедленно возник вопрос: а не распространен ли электрический обмен в других реакциях с участием микробов? Одним из исследуемых процессов было анаэробное окисление метана, ответственное за разложение парникового газа метана в океане, и потому имеющее большую значимость для климата Земли. Впервые вовлеченные в процесс микроорганизмы были описаны исследователями из Бремена в 2000 году, и с тех пор экстенсивно изучались.

Парниковый метан в океане

В океане метан вырабатывается в процессе разложения биомассы в субповерхностных отложениях. Метан начинает подниматься, но, прежде чем достичь водяного столба, он разлагается специальным консорциумом архей и бактерий.

Археи потребляют метан и окисляют его, преобразуя в карбонат. Далее они передают энергию партнерским бактериям, так, чтобы реакция продолжалась. Бактерии для получения энергии вместо кислорода вдыхают сульфат. Таким мог быть древний метаболизм, ведь миллиарды лет назад в земной атмосфере не было кислорода. И все же до сих пор не известна биохимическая природа анаэробного окисления метана.

Мы сосредоточились на теплолюбивых консорциумах микроорганизмов, обитающих при температуре 60 градусов по Цельсию. Впервые нам удалось выделить партнерские бактерии, чтобы выращивать их отдельно. Затем мы систематически сравнивали физиологию изолятов с естественной культурой, сообщил исследователь Гюнтер Веджнер. Мы хотели понять, какие вещества могут служить энергоносителем между археями и преобразователями сульфата.

Большинство веществ удалось исключить достаточно быстро. Сначала в качестве источника энергии рассматривали водород. Однако археи не вырабатывают достаточно водорода, чтобы можно было объяснить рост преобразующих сульфат бактерий. Следовательно, ученым необходимо было изменить стратегию.

Это действительно провода!

Одной возможной альтернативой стал поиск прямых соединений, направляющих электроны между клетками. Идея подтвердилась в теплолюбивых культурах микроорганизмов с помощью электронного микроскопа.

Было действительно важно увидеть похожие на кабели структуры, заметил Дитмар Ридел, глава комплекса электронной микроскопии в институте Макса Планка. Мы поместили скопления под высокое давление с помощью различных вложенных сред. Затем ультратонкие секции этих скоплений исследовались в почти естественном состоянии с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.

И — бинго! — гипотеза ученых подтвердилась.

Мы нашли все необходимые для биосинтеза клеточных связей гены, заявила соавтор статьи докторант Виола Кракенберг. Гены активируются только тогда, когда в качестве источника энергии используется метан, и между археями и бактериями формируются пили или палочковидные выросты.

Провода длиной несколько микрометров безусловно длиннее клеток, но их диаметр всего несколько нанометров. Они обеспечивают контакт между близко расположенными клетками и объясняют пространственную структуру всего консорциума микроорганизмов.

В природе таких консорциумов архей и бактерий много. В дальнейшем мы намерены узнать, есть ли подобные наносвязи у других типов микроорганизмов. Важно понять, как функционируют разлагающие метан микробные объединения, ведь в природе они играют важные функции, заключил лидер исследовательской группы из института Бремена Антье Ботиус.

Результаты опубликованы в издании Nature.

21.10.2015