Российские микробиологи идентифицировали первых представителей древней линии архей, обитающих в горячих источниках Камчатки и Курильских островов. Данные микроорганизмы способны существовать в экстремальных условиях, характеризующихся высокой кислотностью и температурой. В отличие от известных термоацидофилов, новые штаммы обладают уникальным метаболизмом – они запасают энергию исключительно посредством брожения углеводов. На основе микробиологических исследований с использованием чистых культур, а также детального геномного анализа, группа ученых из России, Нидерландов и Австрии описала новый порядок живых организмов, включенный в новый класс Tardisphaeria. Результаты опубликованы в престижном журнале mSystems с пометкой «Editor’s Pick» (рекомендация редакторов, показывающая высокий уровень вклада данной статьи в науку, её важность и значимость). Исследования поддержаны грантом РНФ.
Благодаря прогрессу в молекулярно-биологических методах стало очевидно, что в культуре находится лишь незначительная доля микроорганизмов (до 3,5%). Остальные составляют так называемая «микробная темная материя», и их метаболизм, а также роль в экосистемах, в основном оцениваются на основе метагеномных данных, которые не позволяют получить исчерпывающее и детальное представление. Наибольшие трудности возникают при выделении чистых культур архей – древнейшего и наименее изученного царства живых организмов. Несмотря на то, что археи распространены повсеместно и, в некоторых случаях, преобладают над другими организмами (например, в кислых горячих источниках), большинство из них до сих пор не поддается лабораторному культивированию.
Микробиологи из Федерального исследовательского центра биотехнологий РАН выделили две чистые культуры (штаммы MP-3918 и АК-3817), представляющие ранее неизученную группу архей, обитающих в наземных геотермальных источниках Камчатки и Курильских островов. Совместные с европейскими коллегами всесторонние исследования позволили установить, что эти организмы формируют отдельный новый порядок (Tardisphaerales), относящийся к новому классу (Tardisphaeria).
«Вид Tardisphaera miroshnichenkoae sp. nov. получил свое название в честь нашего коллеги, российского микробиолога Маргариты Мирошниченко. Авторы исследования стремились таким образом отдать дань уважения Маргарите Леонтьевне за ее значительный вклад в научные исследования, посвященные изучению микробного разнообразия экстремофилов. Название второго вида, T. saccharovorans sp. nov., можно интерпретировать как «потребитель сахара», — рассказала Мария Прокофьева, научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН, один из авторов данной работы.
Новые археи представляют собой небольшие, медленно размножающиеся клетки неправильной кокковидной формы, способные существовать в условиях низкой кислотности и высокой температуры (так называемых умеренно термофильных и ацидофильных организмов). Эти организмы являются строгими анаэробами, то есть не нуждаются в кислороде для жизнедеятельности. Детальное изучение их метаболизма, основанное на микробиологических исследованиях и полной реконструкции геномов, выявило существенные отличия от известных термоацидофильных бактерий и архей: они запасают энергию исключительно путем брожения, а не посредством дыхания, и отдают предпочтение сложным полисахаридам в качестве источника питательных веществ.
Способность к метаболизму углеводов определяется действием множества генов, которые кодируют различные гликозидазы – ферменты, обеспечивающие расщепление полисахаридов. Исследование геномов всех представителей отряда Tardisphaerales выявило, что способность к гидролизу различных углеводов является отличительной особенностью этой группы.
Первые обнаруженные представители рода Tardisphaera проявили значительную устойчивость к кислой среде, что ранее не отмечалось у термоацидофилов. Данные штаммы сохраняли высокую популяционную плотность при pH 4,0 в течение месяца-двух в чистых культурах и более шести месяцев в обогащённых средах.
Уникальная черта новых анаэробных микроорганизмов заключается в их способности переносить воздействие кислорода в течение продолжительного времени. Это обусловлено наличием системы детоксикации, которая была обнаружена в обоих геномах и представляет собой одну из самых эффективных защитных механизмов от активных форм кислорода среди термоацидофильных организмов. Благодаря этому археи способны успешно размножаться в кислых средах, характеризующихся высоким уровнем окислительного стресса.
«Новые архей, которые мы выделили, постоянно поражали нас. Стоит подчеркнуть один необычный факт: их геномы – одни из самых компактных среди свободноживущих организмов, однако при этом они обладают крайне гибким и многообразным метаболизмом. По всей видимости, такое сочетание является результатом эволюционной оптимизации – их геном был сокращен, но при этом они способны адаптироваться и использовать широкий спектр ресурсов. Они экономят энергию и умеют эффективно использовать имеющиеся возможности, даже если условия постоянно меняются. Мы продемонстрировали, что представители нашей новой группы архей весьма распространены в кислотных и горячих средах обитания. Таким образом, подобная оптимизация позволяет им, несмотря на относительно низкую энергетическую отдачу от брожения, успешно соперничать с другими обитателями горячих источников», — сообщила Татьяна Кочеткова, старший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН, руководитель гранта РНФ.
Согласно результатам исследований, представители нового порядка Tardisphaerales встречаются в кислых средах обитания по всему миру, включая геотермальные и умеренно теплые участки. В горячих кислотных гидротермальных источниках Камчатки и Курильских островов эти археи могут формировать до 40% от общей микробной популяции.
«Высокая численность и широкое распространение свидетельствуют о важной экологической роли архей, которые, скорее всего, играют главную роль в начальном разложении органических веществ в этих экосистемах. Специализация на гидролизе полисахаридов, вероятно, дает этим медленнорастущим археям конкурентное преимущество, поскольку большинство других гетеротрофных термоацидофилов предпочитают пептиды или простые сахара. Сочетание эффективной системы защиты от активных форм кислорода, высокой кислотной устойчивости и уникальной способности использовать полисахариды, поступающие из остатков высших растений, водорослей и прокариот, скорее всего, объясняет их преобладание в отложениях кислых сред с умеренными температурами, – отметил Александр Ельченинов, один из руководителей исследования, научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН.
Изучение и разведение новых архей способствует расширению классификации прокариот и позволяет определить основных участников цикла углерода в кислых геотермальных средах.
Геномы недавно открытых архей содержат большое количество генов, отвечающих за синтез ферментов, эффективно расщепляющих углеводы в кислой среде и при повышенных температурах. Благодаря этому они представляют собой перспективный источник кислотоустойчивых термозимов, которые могут быть использованы в промышленных целях для создания надежных и устойчивых биокатализаторов. Эти ферменты расширяют горизонты в области зеленой биотехнологии, производства кормов с повышенной усвояемостью и в крахмальной промышленности, где стабильность при высокой температуре и низком pH является ключевым фактором успеха.
Обширное исследование выявило, что для получения надёжных и достоверных результатов необходимо сочетать современные генетические технологии и традиционные микробиологические эксперименты. Объединение этих методов имеет решающее значение для детального изучения биологических процессов и стимулирования прогресса в научных разработках.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ФИЦ Биотехнологии РАН