Niezwykły sposób metabolizmu energii odkryty u nowo zidentyfikowanego drobnoustroju zapewnia nowy wgląd w prymitywne procesy życiowe i oferuje obiecujące zastosowania biotechnologiczne.
Organizm ten, odkopany w głębokich źródłach północnej Kalifornii, przekształca dwutlenek węgla w bogate w energię substancje chemiczne, korzystając z nieznanego wcześniej szlaku metabolicznego, potencjalnie naśladując mechanizmy wczesnego życia i torując drogę postępowi w produkcji mikrobiologicznej i produkcji biopaliw.
Odkrycie unikalnego drobnoustroju
Naukowcy z projektu RIKEN odkryli nowy mikrob, który może dostarczyć kluczowych informacji na temat początków życia na Ziemi, poszukiwań życia pozaziemskiego i postępów w produkcji opartej na drobnoustrojach.
Badania przeprowadzone w nierównych, głęboko żywionych źródłach północnej Kalifornii odkryły mikroorganizm przekształcający dwutlenek węgla w inne substancje chemiczne. Proces ten nie tylko generuje energię, ale wykorzystuje nieznany wcześniej szlak metaboliczny, co sugeruje nowe metody wiązania węgla, które mogą naśladować najwcześniejsze formy metabolizmu energetycznego na naszej planecie.
„To naprawdę niezwykłe” – mówi Shino Suzuki, główny autor badania i mikrobiolog kierujący Laboratorium Geobiologii i Astrobiologii w Klastrze Badań Pionierskich RIKEN w Wako w Japonii.
Niezwykłe warunki, w jakich żyją mikroorganizmy, mogą być kandydatem na środowisko, w którym powstało życie na Ziemi, więc ten nowy rodzaj wiązania węgla „może reprezentować jeden z najwcześniejszych procesów konwersji energii w prymitywnym życiu” – mówi Suzuki. Okazuje się, że można je również wykorzystać do pobudzenia mikrobiologicznej produkcji chemikaliów i biopaliw.
Niezbadane światy mikrobiologiczne
Mikrob, rodzaj jednokomórkowej formy życia znanej jako archeon, pochodzi z nieziemskiego ekosystemu zwanego Cedrami. Ten skarb geologiczny, położony około 150 kilometrów na północ od słynnego mostu Golden Gate w San Francisco, charakteryzuje się dziwacznymi formacjami mineralnymi powstałymi w wyniku reakcji niektórych podziemnych skał z wodą. W wyniku tego procesu powstają wody bogate w wapń, wodór i metan, ale pozbawione innych składników niezbędnych do życia. Mimo wszystko życie tam tętni.
Około 15 lat temu Suzuki i jej współpracownicy zaczęli charakteryzować drobnoustroje żyjące w tym wrogim środowisku, korzystając z zaawansowanych technik sekwencjonowania genetycznego, aby zidentyfikować bakterie i archeony w tych niezbadanych światach. Napotkali różnorodne egzotyczne drobnoustroje, każdy o odmiennych cechach genomicznych i funkcjach metabolicznych.
Niektórzy żywili się wodorem, inni spożywali minerały rozpuszczone w wodach alkalicznych. Być może jednak żaden nie był bardziej dziwaczny i fascynujący niż Met12.
Spostrzeżenia genetyczne i adaptacja drobnoustrojów
Met12 to liczny archeon żyjący w głębokich wodach gruntowych The Cedars. Analizy genetyczne wykazały, że jest on blisko spokrewniony z grupą drobnoustrojów beztlenowych znanych ze swojej zdolności do wytwarzania metanu jako produktu ubocznego metabolizmu. A jednak Met12 brakuje genów potrzebnych do wytworzenia metanu.
Zamiast tego drobnoustrój opiera się na alternatywnym szlaku metabolicznym, w którym dwutlenek węgla przekształca się w cząsteczkę organiczną zwaną octanem, bez uwalniania w tym procesie metanu. Warto zauważyć, że w tej operacji pomaga mu unikalny gen zwany MmcX.
Gen ten, jak wykazała Suzuki i jej zespół, pomaga zwiększyć zdolność Met12 do importowania elektronów, umożliwiając silniejszy metabolizm energetyczny. Ta adaptacja jest kluczowa dla rozwoju drobnoustroju w terenie takim jak Cedry, który na pierwszy rzut oka wydaje się całkowicie niegościnny dla takiego życia.
Według Suzuki odkrycie ukazuje formę życia przystosowującą się do ekstremalnych środowisk w nieoczekiwany sposób, co może odzwierciedlać, jak prymitywne, a nawet pozaziemskie życie powstało w trudnych warunkach, jakie, jak się uważa, istniały na wczesnej Ziemi i innych planetach. „To mogłoby dać pewien wgląd w pochodzenie życia” – mówi Suzuki.
Nowe granice w inżynierii mikrobiologicznej
Kiedy Suzuki wraz ze współpracownikami ze Stanów Zjednoczonych, Danii i innych części Japonii po raz pierwszy odkrył Met12, nie wierzył własnym odkryciom. „Wątpiłem w siebie” – mówi Suzuki. „Myślałem, że popełniłem błąd”.
Mając do dyspozycji jedynie sekwencje genów, musieli zastosować proces rekonstrukcji kolistego genomu drobnoustroju. Hodowla Met12 w laboratorium okazała się wyzwaniem, dlatego nie mogli zweryfikować jego istnienia tradycyjnymi metodami mikrobiologicznymi. Wracając do biologii syntetycznej, badacze musieli zastosować twórcze metody weryfikacji, aby przekonać się, że organizm jest prawdziwy.
Wprowadzili gen MmcX do bakterii w kształcie pałeczki, zmodyfikowanej genetycznie tak, aby nie wykazywała aktywności przenoszenia elektronów. To ulepszenie pomogło uratować zdolność drobnoustroju do wychwytywania elektronów, nawet do tego stopnia, że przekroczyła ona normalny poziom. W wyniku dalszych eksperymentów naukowcy wywnioskowali, w jaki sposób Met12 jest w stanie wykorzystać te elektrony do ułatwienia metabolizmu energetycznego, przy czym głównym źródłem paliwa jest dwutlenek węgla.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
Odkrycie ma praktyczne implikacje. Bakteria, w której zwiększyły one aktywność metaboliczną i wszechstronność, jest powszechnie wykorzystywana do produkcji biopaliw. Wykorzystując MmcX, Suzuki ma nadzieję poprawić wydajność genetycznie zmodyfikowanych drobnoustrojów, które wykorzystują transfer elektronów do produkcji chemikaliów i biopaliw. Ich innowacja doprowadziła do złożenia patentu na tę technologię molekularną.
Charakterystyka tego archeonów może również pomóc w sekwestracji dwutlenku węgla, co jest priorytetem w zakresie łagodzenia emisji spowalniających tempo zmian klimatycznych.
Możliwości innowacji nie kończą się na MmcX. Suzuki przewiduje, że dalsze wyjątkowe odkrycia będą następstwem dodatkowej eksploracji The Cedars i badania innych unikalnych środowisk z niewykorzystanymi zasobami różnorodności genetycznej.
Jej zespół poszukuje obecnie organizmów ekstremofilnych w miejscach takich jak gorące źródła Hakuba Happo w Alpach Japońskich, wysokoalkaliczne gorące źródła charakteryzujące się warunkami podobnymi do Cedarów oraz podwodne wulkany w najgłębszym na świecie rowie morskim, Rowie Mariańskim. położone na zachodnim Pacyfiku.
„Istnieje o wiele więcej interesujących genów, które nie zostały jeszcze odkryte” – mówi.
Odniesienie: „Niemetanogenny archeon w obrębie zakonu Metanocellale” Shino Suzuki, Shun’ichi Ishii, Grayson L. Chadwick, Yugo Tanaka, Atsushi Kouzuma, Kazuya Watanabe, Fumio Inagaki, Mads Albertsen, Per H. Nielsen i Kenneth H. Nealson, 13 czerwca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48185-5
