Микробы могут быть крошечными, но они оказывают огромное влияние на Землю и ее пригодность для жизни. Они уникально отличаются от животных, растений и других эукариотических организмов тем, что могут получать энергию, «дыша» на удивительно широком диапазоне поверхностей и материалов. Микробы также радикально изменяют свою среду обитания, питаясь этими источниками энергии, что делает микробов основными игроками в круговороте и доступности питательных веществ на Земле. Одним из наиболее известных примеров было повышение уровня кислорода на Земле из-за метаболизма фотосинтезирующих бактерий.
В последние годы ученые открыли удивительный новый процесс, с помощью которого микробы могут «дышать» горными породами посредством процесса, называемого внеклеточным переносом электронов (ВЭТ). Благодаря EET микробы могут «дышать» камнями и другими материалами, находящимися вне их клетки. Другими словами, микробы буквально устанавливают электрическую связь с внешним миром, связь, которую они используют для выработки энергии, необходимой им для роста. С тех пор исследователи нашли новаторские способы использования способных к EET микробов, например, помощь в очистке токсичных отходов и в качестве источника альтернативной энергии.
В новом исследовании mBio исследователи из Гарварда и Университета Миннесоты изучили древо жизни в поисках EET и обнаружили, что он гораздо более распространен, чем считалось ранее, и распространяется посредством горизонтального переноса генов. Один набор генов , который делает возможным EET, называется mtrCAB и особенно хорошо изучен у бактерии Shewanella oneidensis. Shewanella oneidensis была одним из первых когда-либо обнаруженных организмов, способных к EET. Таким образом, у научного сообщества была фора в несколько десятилетий, чтобы исследовать его в лаборатории.
«Большая часть нашего понимания mtrCAB основана на исследованиях этого конкретного организма», — сказала соавтор Изабель Р. Бейкер, доктор философии. кандидат кафедры органической и эволюционной биологии Гарварда. «Но мы на самом деле не знаем, насколько широко распространен этот тип метаболизма среди всех ветвей жизни. Понимание того, насколько он широко распространен, поможет нам точно определить, где этот тип метаболизма играет роль в глобальных биогеохимических циклах».
Бейкер и соавтор профессор Питер Р. Гиргус, также работающий на кафедре органической и эволюционной биологии в Гарварде, были заинтересованы в партнерстве с исследователями из Университета Миннесоты со старшим автором профессором Джеффри А. Гралником и со-ведущим автором Бриджит Э. Конли. Гральник и Конли являются ведущими экспертами в исследованиях EET в Шеванелле. Их предыдущая работа показала, что mtrCAB обеспечивает EET по крайней мере у двух других видов, помимо Shewanella.
Объединив свой опыт и глобальную базу данных, исследователи обнаружили, что эти гены существуют в гораздо большем количестве организмов, чем предполагалось ранее, и в самых разных средах по всему миру.
«Мы обнаружили эти гены в микробах по всей планете практически из любой среды, включая глубокое море, солончаки, нефтеперерабатывающие заводы, человеческий кишечник и даже сточные воды, загрязненные Манхэттенским проектом», — сказал Бейкер. Дальнейший анализ показал, что набор генов широко распространялся горизонтально на протяжении всей истории жизни.
«Приобретение генов аналогично установке приложения на ваш телефон, чтобы придать ему новую функциональность. Горизонтальный перенос генов часто ассоциируется с устойчивостью к антибиотикам, но здесь мы видим метаболическую способность, EET, входящую и выходящую из бактериальных геномов». — сказал Гральник.
Исследователи предположили, что всякий раз, когда гены попадали в разные виды, гены, участвующие в EET, со временем менялись, чтобы лучше соответствовать физиологии нового организма и среде, в которой он жил.
«Это своего рода предрешенный вывод, что микробы действительно формируют нашу планету, и EET всегда рассматривался как нишевая способность», — сказал Гиргуис. «Но мы изучили всю геномную информацию от животных, архей, бактерий и всех других форм жизни и обнаружили, что она гораздо более распространена, чем предполагалось ранее. Все идентифицированные нами организмы способны подключаться непосредственно к субстратам в своих среду и изменение того, что там доступно».
«Доступность этих различных субстратов со временем меняется, поскольку Земля продолжает развиваться либо естественным образом, либо под влиянием человека», — сказал Бейкер. «Понимание того, как эти белки, возможно, эволюционировали вместе с историей кислорода на Земле, очень важно. Это могло бы помочь нам понять, помог ли этот метаболизм или метаболизм, подобный этому, сыграть роль в одной из масштабных трансформаций поверхности нашей планеты, которая дала подняться в современный мир, каким мы его знаем».
Теги: биотехнологии, энергия
