Бактерии, поглощающие серу, могут быть ключом к производству общих компонентов пластмасс

Ученые из Национальной лаборатории Окриджа Министерства энергетики и Университета штата Огайо обнаружили новый микробный путь, который производит этилен, обеспечивая потенциальную возможность для биопроизводства обычного компонента пластмасс, клеев, охлаждающих жидкостей и других повседневных продуктов.

Открытие, опубликованное в журнале Science, проливает свет на давнюю тайну того, как этилен образуется в анаэробных почвах, или почвах, лишенных кислорода, и указывает на потенциальные пути предотвращения повреждения сельскохозяйственных культур из-за высоких уровней этилена. В исследовании также описывается ранее неизвестный способ, которым бактерии генерируют метан, мощный парниковый газ.

Исследовательская группа обнаружила, что этилен и метан являются побочными продуктами бактериального процесса, что делает метионин, амино кислоты, необходимой для построения белков. Когда их окружающая среда анаэробна и с низким содержанием серы, бактерии вынуждены поглощать серу из клеточных отходов, запуская этот новый путь.

«В течение примерно десяти лет исследователи изучали биологическое производство этилена с помощью другого механизма, который происходит в насыщенной кислородом среде», — сказал научный сотрудник штата Огайо Джастин Норт. «Существует техническое препятствие для увеличения масштабов этого процесса, поскольку смешивание этилена и кислорода в промышленных масштабах может быть взрывоопасным. Этот новый анаэробный путь устраняет это препятствие, но еще предстоит проделать работу по его расширению».

Исследование началось в штате Огайо, где Роберт Табита ведет постоянное исследование связывания углерода и метаболизма азота и серы у фотосинтезирующих бактерий. В составе команды Табиты Норт решил измерить количество газов, потребляемых и выделяемых Rhodospirillum rubrum и другими микробами в том же семействе, когда они голодали по сере. Он был удивлен, обнаружив этилен.

«Мы знаем, что эти бактерии производят водород и потребляют углекислый газ», — сказал Норт. «Но, о чудо, они производили огромное количество этиленового газа. И мы подумали, что ж, это странно».

Норт и его коллеги из штата Огайо изучали этот новый метаболический процесс, используя радиоактивные соединения, чтобы отслеживать прекурсоры и производство метионина и этилена в микробах. Но нужен был другой тип аналитической биотехнологии, чтобы установить критическую связь между этим путем и белками, называемыми ферментами, которые управляют им.

Табита обратилась к Бобу Хеттичу, который возглавляет группу биологической масс-спектрометрии в ORNL, для сравнительного анализа набора белков, называемых протеомами, присутствующих в этих фотосинтезирующих бактериях в двух различных сценариях: в условиях с низким содержанием серы, в условиях производства этилена и в условиях высокой концентрации. Группа Hettich разработала передовой подход к характеристике протеомов микробных систем с помощью масс-спектрометрии, метода, который точно измеряет массы и пути фрагментации различных молекул и предоставляет подробную информацию о структуре и составе. Хеттич и Вейли Ксионг, постдокторский исследователь ORNL, идентифицировали тысячи белков из систем с низким и высоким содержанием серы и проанализировали их сравнительное содержание, чтобы определить несколько белков для дальнейшей характеристики.

«Мы обнаружили разительные различия», — сказал Хеттих. Данные показали, что семейство нитрогеназоподобных белков было почти в 50 раз больше в образцах с низким содержанием серы, продуцирующих этилен. При недостатке серы количество некоторых белков, связанных с железом и серой, также увеличивалось, что указывает на возможный новый путь метаболизма серы.

Эти данные были неожиданными, поскольку нитрогеназоподобные белки сгруппированы в аннотации генов с нитрогеназами, которые имеют сходные последовательности ДНК и, как известно, превращают атмосферный азот в аммиак. Этот процесс азотфиксации необходим для жизни на Земле и широко изучен. Учитывая свое название, эти нитрогеназоподобные белки не являются теми, которые, по мнению ученых, играют роль в метаболизме серы.

«Иногда название или аннотация гена или семейства генов может вводить в заблуждение», — сказал Хеттих. «Название предполагает основную функцию. На самом деле, у гена может быть второстепенная функция, так сказать, ночная работа, или он может делать что-то совершенно другое».

Источник

Метки: бактерии