Нові форми життя, виявлені в Єллоустоуні, дають ключ до інопланетного життя

Вчені з Університету штату Монтана надали перші експериментальні докази того, що дві нещодавно виявлені групи мікробів у термальних об’єктах Єллоустонського національного парку виробляють метан. Це новаторське відкриття одного разу може допомогти розробити методи пом’якшення зміни клімату та запропонувати розуміння потенційного життя в інших частинах нашої Сонячної системи.

Журнал Nature опублікував результати лабораторії Роланда Хаценпіхлера, доцента кафедри хімії та біохімії МДУ в Коледжі літератури та науки та заступника директора Інституту термічної біології університету. У двох наукових статтях описується перевірка дослідниками МДУ перших відомих прикладів одноклітинних організмів, які виробляють метан, які існують поза родоводом Euryarchaeota, який є частиною більшої гілки дерева життя під назвою Archaea.

Елісон Гармон, віце-президент МДУ з досліджень та економічного розвитку, сказала, що вона рада, що відкриття з таким далекосяжним потенційним впливом привертають увагу, на яку вони заслуговують.

«Для Університету штату Монтана є значним досягненням опублікувати не одну, а дві статті в одному з провідних наукових журналів світу», — сказав Хармон.

Одноклітинні організми, що виробляють метан, називаються метаногенами. У той час як люди та інші тварини їдять їжу, вдихають кисень і видихають вуглекислий газ, щоб вижити, метаногени поїдають невеликі молекули, такі як вуглекислий газ або метанол, і видихають метан. Більшість метаногенів є суворими анаеробами, тобто вони не можуть вижити в присутності кисню.

З 1930-х років вчені знали, що багато анаеробних організмів в археях є метаногенами, і протягом десятиліть вони вважали, що всі метаногени належать до одного типу: Euryarchaeota.

Але приблизно 10 років тому мікроби з генами метаногенезу почали виявляти в інших типах, включаючи один під назвою Thermoproteota. Цей тип містить дві мікробні групи, які називаються Methanomethylicia та Methanodesulfokora.

«Все, що ми знали про ці організми, — це їх ДНК », — сказав Хаценпіхлер. «Ніхто ніколи не бачив клітини цих передбачуваних метаногенів; ніхто не знав, чи вони насправді використовували свої гени метаногенезу, чи вони вирощували якимось іншим способом.

Експериментальне підтвердження та виробництво метану

Хаценпіхлер і його дослідники вирішили перевірити, чи живуть ці організми шляхом метаногенезу, спираючись на результати дослідження, опублікованого минулого року одним із його колишніх аспірантів МДУ Маккензі Лайнс.

Зразки були зібрані з відкладень у гарячих джерелах Єллоустонського національного парку з температурою від 141 до 161 градуса за Фаренгейтом (61–72 градуси за Цельсієм ).

Завдяки тому, що Хатценпіхлер назвав «кропіткою роботою», докторант МДУ Ентоні Котц і докторант Віола Крукенберг виростили в лабораторії мікроби Йеллоустоун. Мікроби не тільки вижили, але й процвітали – і вони виробляли метан. Потім команда працювала, щоб охарактеризувати біологію нових мікробів, залучаючи штатного вченого Закарі Джея та інших співробітників ETH Zurich.

Одночасно дослідницька група під керівництвом Лея Чена з Інституту біогазу Китаю Міністерства сільського господарства та сільських справ і Діани Соуза з Університету Вагенінгена в Нідерландах успішно виростила ще один із цих нових метаногенів, над яким вони працювали шість років. років.

«До наших досліджень над цими мікробами не проводилося жодної експериментальної роботи, окрім секвенування ДНК», — сказав Хаценпіхлер.

Він сказав, що Ченг і Соуза запропонували подати дослідження разом для публікації, і стаття Ченга, в якій повідомляється про ізоляцію ще одного члена Methanomethylicia, була опублікована спільно з двома дослідженнями лабораторії Hatzenpichler.

У той час як одна з нещодавно ідентифікованих груп метаногенів, Methanodesulfokora, здається, обмежена гарячими джерелами та глибоководними гідротермальними джерелами, Methanomethylicia, є широко поширеними, сказав Хатценпіхлер. Іноді їх можна знайти в очисних спорудах і травному тракті жуйних тварин, а також у морських відкладеннях, ґрунтах і заболочених угіддях. Хатценпіхлер сказав, що це важливо, оскільки метаногени виробляють 70% метану у світі, газу, який у 28 разів сильніший за вуглекислий газ у вловлюванні тепла в атмосфері, згідно з даними Агентства з охорони навколишнього середовища США.

«Рівень метану зростає набагато швидше, ніж вуглекислий газ, і люди викачують метан в атмосферу з більшою швидкістю, ніж будь-коли раніше», — сказав він.

Хатценпіхлер сказав, що хоча експерименти дали відповідь на важливе питання, вони породили багато інших, які будуть стимулювати майбутню роботу. Наприклад, вчені ще не знають, чи Methanomethylicia, які живуть у неекстремальних середовищах, покладаються на метаногенез для зростання чи вони ростуть іншими способами.

«На мою думку, іноді вони ростуть, виробляючи метан, а іноді вони роблять щось зовсім інше, але ми не знаємо, коли вони ростуть, як і чому», — сказав Хаценпіхлер. «Тепер нам потрібно з’ясувати, коли вони сприяють кругообігу метану, а коли ні».

У той час як більшість метаногенів у Euryarchaeota використовують CO ₂ або ацетат для отримання метану, Methanomethylicia та Methanodesulfokora використовують такі сполуки, як метанол. Ця властивість може допомогти вченим навчитися змінювати умови в різних середовищах, де вони знаходяться, щоб менше метану викидалося в атмосферу, сказав Хаценпіхлер.

Майбутні напрямки досліджень та унікальні властивості метаногенів

Його лабораторія почне співпрацювати цієї осені з сільськогосподарською дослідно-навчальною фермою Бозмана МДУ, яка надасть зразки для подальших досліджень метаногенів, виявлених у великій рогатій худобі. Крім того, нові аспіранти, які приєднаються до лабораторії Хаценпіхлера восени, визначать, чи виробляють нещодавно знайдені археї метан у стічних водах, ґрунті та заболочених угіддях.

Метанометиліції також мають захоплюючу клітинну архітектуру, сказав Хаценпіхлер. Він співпрацював із двома вченими з ETH Zurich, Мартіном Пілхофером та аспірантом Ніколаєм Петросяном, щоб показати, що мікроб утворює раніше невідомі міжклітинні трубки, які з’єднують дві або три клітини одна з одною.

«Ми поняття не маємо, навіщо вони їх формують. Подібні структури рідко зустрічаються у мікробів. Можливо, вони обмінюються ДНК; можливо, вони обмінюються хімікатами. Ми ще не знаємо», — сказав Хаценпіхлер.

Нещодавно опубліковане дослідження було профінансовано програмою екзобіології NASA. NASA зацікавлене в метаногенах, тому що вони можуть дати уявлення про життя на Землі понад 3 мільярди років тому та про потенціал життя на інших планетах і супутниках, де був виявлений метан, сказав він.