Міжнародна команда вчених відкрила давній механізм дихання у бактерій, що живляться вуглекислим газом і воднем, пояснюючи еволюційно ранній спосіб генерації енергії та відкриваючи перспективи для боротьби зі зміною клімату.
Дослідники з Франкфуртського університету імені Гете, Марбурзького та Стокгольмського університетів зосередили увагу на незвичайних мікроорганізмах. Ці бактерії використовують CO2 і водень для виробництва оцтової кислоти. Такий метаболічний шлях виник на ранніх етапах еволюції життя на Землі.
Сучасні організми переважно використовують кисень для окиснення поживних речовин. Цей процес забезпечує клітини енергією у формі АТФ. На ранній Землі атмосфера не містила кисню, що змушувало перші організми шукати альтернативні джерела енергії.
Вивчаючи давні бактерії, які живуть в безкисневих середовищах, науковці змогли зазирнути в минуле. Такі мікроорганізми досі можна знайти в гарячих джерелах на дні океану. Вони використовують унікальну форму дихання.
Принцип роботи бактеріального “енергогенератора”
Питання про те, як саме ці організми виробляють АТФ, довго залишалося без відповіді. Дослідження нарешті пояснює цей механізм.
“Ми змогли показати, що виробництво оцтової кислоти активує складний механізм, в рамках якого іони натрію викачуються з бактеріальної клітини в навколишнє середовище”, – пояснює професор Фолькер Мюллер.
Концентрація натрію всередині клітини зменшується. Клітинна оболонка починає функціонувати як своєрідна дамба для іонів. Коли ця перепона відкривається, натрій повертається назад у клітину. Цей потік приводить у дію молекулярну “турбіну”, яка генерує АТФ.
Ключову роль у процесі відіграє білковий комплекс Rnf. Він вбудований у мембрану, що оточує бактеріальну клітину.
“Комплекс настільки чутливий, що ми змогли виділити його лише кілька років тому”, – наголошує Мюллер.
Під час реакції вуглекислого газу з воднем електрони передаються від атомів водню до атомів вуглецю. Комплекс Rnf виступає посередником у цьому процесі. Він отримує електрони та передає їх далі.
Структурне дослідження та динаміка процесу
Щоб розгадати механізм, науковці застосували кріоелектронну мікроскопію. Аспірант Анудж Кумар використав метод шокового заморожування очищеного комплексу Rnf бактерії Acetobacterium woodii. Зразок наносили на пластину-носій, створюючи тонку льодову плівку.
Під електронним мікроскопом можна було побачити мільйони комплексів Rnf. “Зображення можна об’єднати в тривимірне, що дало нам точне уявлення про структуру комплексу”, – пояснює Кумар. Особливо важливими були частини, відповідальні за передачу електронів.
Аналіз серії зображень виявив, що компоненти комплексу не статичні. Вони динамічно рухаються в різних напрямках. Завдяки цій рухливості переносники електронів долають більші відстані та ефективно передають свій “вантаж”.
Залишалося з’ясувати механізм зв’язку між потоком електронів та відтоком іонів натрію. Відповідь дало молекулярно-динамічне моделювання, проведене групою професора Вілле Кайла.
Механізм дії та потенційне застосування
Центральну роль відіграє скупчення атомів заліза та сірки. Воно розташоване всередині мембрани. Після захоплення електрона цей кластер набуває негативного заряду. Це запускає каскад реакцій, що забезпечують енергетичні потреби клітини.
“Позитивно заряджені іони натрію зсередини клітини притягуються до цього кластера, як магніт”, – пояснює Дженніфер Рот, докторантка з групи Мюллера. Таке притягання змушує білки зміщуватися навколо залізо-сірчаного кластера. Вони утворюють отвір у мембрані, через який іони натрію виходять назовні.
Рот підтвердила цей механізм шляхом внесення генетичних змін у білки Rnf. Відкриття стало можливим завдяки успішній співпраці між трьома університетами. Воно має не лише теоретичне, але й практичне значення.
Здатність мікроорганізмів поглинати CO2 у процесі виробництва оцтової кислоти особливо цікава. Ця властивість може бути використана для видалення парникових газів з промислових викидів.
“Як тільки ми дізнаємося, як бактерії генерують енергію в процесі, ми зможемо оптимізувати його для виробництва ще якісніших кінцевих продуктів”, – сподівається Мюллер.
Крім внеску в боротьбу зі зміною клімату, дослідження відкриває шлях до створення нових ліків. Патогенні мікроорганізми зі схожими дихальними ферментами можуть стати мішенями для майбутніх терапевтичних засобів. Розуміння механізмів їхнього енергетичного обміну допоможе розробити специфічні препарати.
#Вчені #розкрили #древній #механізм #клітинного #дихання #бактерій
Source link
