Вчені виявили фермент, який може перетворювати отруту на їжу

Дослідники з Інституту морської мікробіології Макса Планка з’ясували, як мікроб, що виробляє метан, живе на токсичному сульфіті, не отруюючись. Метаногени — це крихітні організми, які виробляють метан у середовищі, де немає кисню. Вироблення ними метану, наприклад, у травній системі жуйних тварин, відіграє важливу роль у глобальному циклі вуглецю, оскільки метан є дуже потужним парниковим газом. Однак метан також може служити джерелом енергії для опалення будинків.

Токсична основа для росту

Об’єктом дослідження, яке зараз опубліковано в  Nature Chemical Biology,  є два морських теплолюбних метаногени:  Methanothermococcus thermolithotrophicus  (живе в геотермально нагрітих відкладеннях при температурі близько 65 °C) і  Methanocaldococcus jannaschii  (віддає перевагу глибоководним вулканам з температурою близько 85 °C). Вони отримують свою клітинну енергію, виробляючи метан, і отримують сірку для росту у формі сульфіду, який присутній в їхньому середовищі.

Хоча сульфід є отрутою для більшості організмів, він необхідний для метаногенів, і вони можуть переносити навіть високі його концентрації. Однак їхньою ахіллесовою п’ятою є токсична та реактивна сполука сірки сульфіт, яка руйнує фермент, необхідний для виробництва метану. У своєму середовищі обидва досліджувані організми іноді піддаються впливу сульфіту, наприклад, коли кисень надходить і реагує з відновленим сульфідом. Його часткове окислення призводить до утворення сульфіту, і, таким чином, метаногени повинні захистити себе. Але як вони можуть це зробити?

Молекулярний знімок процесу

Маріон Єсперсен і Трістан Вагнер з Інституту морської мікробіології Макса Планка в Бремені, Німеччина, разом з Антоніо П’єріком з Університету Кайзерслаутерна тепер надають знімок ферменту, який детоксикує сульфіт. Цей фермент у формі метелика відомий як F420-залежна сульфітредуктаза або Fsr. Він здатний перетворювати сульфіт на сульфід – безпечне джерело сірки, необхідного метаногенам для росту.

У поточному дослідженні Джесперсен та її колеги описують, як працює фермент. «Фермент захоплює сульфіт і безпосередньо відновлює його до сульфіду, який можна включити, наприклад, до складу амінокислот », — пояснює Джесперсен. «У результаті метаноген не отруюється і навіть використовує продукт як джерело сірки». . Вони перетворюють отруту на їжу!»

Звучить просто. Але насправді Джесперсен та її колеги виявили, що вони мають справу із захоплюючим і складним перекриттям. «Існує два способи відновлення сульфітів: дисиміляційний і асиміляційний», — пояснює Джесперсен. «Досліджуваний організм використовує фермент, який побудований як дисиміляційний, але він використовує асиміляційний механізм. Він поєднує в собі найкраще з обох світів, можна сказати, принаймні щодо умов життя».

Передбачається, що ферменти як дисиміляційного, так і асиміляційних шляхів еволюціонували від одного спільного предка. «Сульфітредуктази — це стародавні ферменти, які мають значний вплив на глобальні цикли сірки та вуглецю», — додає Трістан Вагнер, керівник дослідницької групи мікробного метаболізму Макса Планка в Інституті Макса Планка в Бремені. «Наш фермент, Fsr, ймовірно, є знімком цього стародавнього первісного ферменту, захоплюючим поглядом на еволюцію».

Біотехнологічні застосування

Fsr не тільки відкриває еволюційні наслідки, але й дозволяє нам краще зрозуміти захоплюючий світ морських мікробів. Метаногени, які можуть рости лише на сульфіті, обходять необхідність використання небезпечного сульфіду, свого звичайного сірчаного субстрату.

«Це відкриває можливості для більш безпечних біотехнологічних застосувань для вивчення цих важливих мікроорганізмів. Оптимальним рішенням було б знайти метаноген, який відновлює сульфат, який є дешевим, поширеним і абсолютно безпечним джерелом сірки», – говорить Вагнер.

Насправді цей метаноген вже існує, це Methanothermococcus thermolithotrophicus. Дослідники припустили, що Fsr організовує останню реакцію цього шляху відновлення сульфату, оскільки одним із його проміжних продуктів буде сульфіт.

«Наше наступне завдання — зрозуміти, як він може перетворити сульфат на сульфіт, щоб отримати повне уявлення про можливості цих диво-мікробів».