Mikroorganizmy głębinowe zużywają alkany, zmniejszając zanieczyszczenie oceanów i atmosfery, a nowe badanie pokazuje, że wykorzystują one unikalny szlak metaboliczny. To odkrycie podważa wcześniejsze przekonania na temat metabolizmu beztlenowego.
Naturalne wycieki na głębokim dnie morskim uwalniają alkany, zanieczyszczenia, które mogą stanowić zagrożenie dla życia i przyczyniać się do globalnego ocieplenia. Na szczęście drobnoustroje w otaczających osadach działają jak filtr biologiczny, pochłaniając większość alkanów, zanim uciekną one do oceanu i atmosfery.
To tak zwane beztlenowe utlenianie alkanów jest ważnym, choć słabo poznanym procesem mikrobiologicznym. Naukowcy z Instytutu Mikrobiologii Morskiej im. Maxa Plancka w Bremie w Niemczech przedstawiają obecnie badanie dotyczące degradacji etanu, drugiego pod względem liczebności alkanu w wyciekach.
Scharakteryzowali enzymy biorące udział w tym procesie i odkryli, że ich reakcja przełamuje ustalony dogmat w dziedzinie biochemii beztlenowej. Ich wyniki publikowane są w Komunikacja przyrodnicza.
Na podstawie danych genomicznych podejrzewa się brakujący element w maszynie odzyskującej energię
Beztlenowe utlenianie etanu opisano już kilka lat temu, a wiele jego tajemnic wciąż pozostaje do odkrycia.
„Rysując reakcje chemiczne szlaku na papierze, znaleźliśmy duże luki w niezbadanej biochemii. Wywnioskowaliśmy, że zaangażowane organizmy muszą pozyskiwać energię komórkową nieznaną ścieżką” – wyjaśnia pierwszy autor Olivier Lemaire. Dwa ostatnie enzymy procesu wytwarzają dwutlenek węgla (CO2) z etanu. Inne drobnoustroje wykorzystują białko zwane ferredoksyną do pobierania elektronów wytwarzanych po drodze.
„Założono to również w przypadku utleniaczy etanu. Kiedy jednak przyjrzeliśmy się genomowi drobnoustrojów, odkryliśmy, że nie mają one narzędzi enzymatycznych umożliwiających pozyskiwanie energii komórkowej za pomocą ferredoksyny. Zatem w grę musi wchodzić coś innego.”
Ambitne badanie osiągnięte dzięki udanej współpracy naukowej
Rozwiązanie tej zagadki było możliwe jedynie dzięki ścisłej współpracy z Instytutem Mikrobiologii Morskiej Maxa Plancka. Gunter Wegener i jego zespół pobrali próbki konsorcjum drobnoustrojów rozkładających etan z głębin morskich i udało im się je wyhodować w laboratorium, mimo że było to bardzo wymagające zadanie. Korzystając z tych kultur, grupie Tristana Wagnera udało się wyizolować i scharakteryzować enzymy biorące udział w utlenianiu etanu.
„Izolowanie enzymów z tak cennej i złożonej kultury drobnoustrojów to prawdziwe wyzwanie, ale udało nam się to z dużym wysiłkiem i skrupulatnością” – mówi Tristan Wagner.
Inny skład enzymatyczny prowadzi do zmiany okablowania metabolicznego
Opublikowane obecnie analizy pokazują, że oba enzymy zawierają dodatkowe białko, połączone elektronicznie z resztą enzymu za pomocą drutu wykonanego z żelaza i siarki. Podjednostka ta pozwala na zastosowanie alternatywnego akceptora elektronów: F420cząsteczka oparta na flawinie, która jest klasą substancji chemicznych ważnych również dla człowieka (na przykład witamina B2).
„Takie zgromadzenia CO2-enzymy tworzące i F420-reduktazy nigdy wcześniej nie opisano ani nie podejrzewano” – mówi Tristan Wagner. Naukowcy potwierdzili w dodatkowych eksperymentach, że oba enzymy wykorzystywały F420 jako akceptor elektronów. „To odkrycie przełamuje dogmat w naukowej dziedzinie metabolizmu beztlenowego, ponieważ poszerza możliwości tych enzymów”.
„Zakładamy, że sprzęganie CO2-pokolenie z F420 jako akceptor elektronów może stymulować cały proces. Elektrony są następnie przenoszone przez błonę komórkową do innego drobnoustroju, redukując siarczany, co jest powszechną zasadą w konsorcjach utleniających alkany” – mówi Gunter Wegener.
Kamień milowy w zrozumieniu degradacji etanu
Wyjaśniając tę metaboliczną zagadkę, Lemaire i jego współpracownicy odkrywają kluczowy aspekt drobnoustrojów rozkładających etan, które odgrywają ważną rolę w obiegu węgla. Pokazuje również, że wiedzy zdobytej od kilku organizmów modelowych nie można po prostu przenieść na pokrewną wiedzę gatunek i że zaangażowane enzymy mogą być bardziej wszechstronne, niż zakładano.
„Nasze badanie pokazuje, jak niewiele wiemy o metabolizmie tych drobnoustrojów, które żyją na naszej planecie od miliardów lat i potrafią przystosować się do tak wielu środowisk, oraz jak ważne jest ich zrozumienie za pomocą środków eksperymentalnych” – podsumowuje Wagner.
Badanie ma dalekosiężne znaczenie, gdyż proces utleniania alkanów przeprowadzany przez tego typu mikroorganizmy jest kluczowym elementem filtra biologicznego występującego w wyciekach morskich, zapobiegającego masowemu wypływowi naturalnie wytwarzanych alkanów do atmosfery i wody morskiej.
Odniesienie: „Archea utleniająca etan łączy generację CO2 z redukcją F420” Olivier N. Lemaire, Gunter Wegener i Tristan Wagner, 21 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53338-7
