Хемосинтезуючі бактерії окислили марганець

Вчені виявили бактерій, які вміють окисляти марганець і використовувати енергію цієї хімічної реакції для фіксації вуглекислого газу. Два види бактерій на кокультурі перетворювали суспензію карбонату марганцю на бляшки оксиду марганцю; у їх транскриптомі знайшли гени білків, які можуть здійснювати біохімічні каскади хемосинтезу. Знайдені мікроорганізми, вважають автори статті в, можуть замикати природні цикли марганцю і впливати на кругообіг інших елементів.

Автотрофи - організми, які вміють фіксувати атмосферний вуглець і синтезувати органічні речовини з неорганічних. Енергію для цього вони беруть або з сонячного світла і тоді називаються фотоавтотрофами, або з хімічних реакцій неорганічних речовин, тоді вони - хемолітоавтотрофи.

Бактерії, які використовують для хемосинтезу з'єднання азоту, сірки і заліза, відомі вже понад століття. Відома також низка мікроорганізмів, які окисляють марганець, але навіщо вони це роблять, залишається незрозумілим. Вчені припускають, що з таких хімічних реакцій мікроорганізми вміють отримувати енергію. Однак досі це не вдавалося підтвердити експериментально, і хемоавтотрофи, що ростуть на марганцевих середовищах, не були знайдені.

Джареду Ледбеттеру (Jared Leadbetter) з Каліфорнійського технологічного інституту пощастило - він на кілька місяців залишив у раковині брудний посуд із залишками карбонату марганцю (II), залиту водою з під крана. Повернувшись до лабораторії, дослідник виявив, що замість світлої суспензії карбонату колби вкриті темним нальотом - оксидом марганцю. Ледбеттер припустив, що марганець окислили бактерії. З колегою він переніс матеріал у середу з суворо визначеним складом, а як контроль використовував аналогічні стерильні середовища.

На стерильних чашках марганець не окислився навіть через рік, зате в середовищі з біологічним матеріалом вже через чотири місяці утворилися темні оксиди марганцю. Окислення вимагало наявності кисню і відбувалося при температурі до 42 градусів Цельсія, оптимально - при 34-40 градусах, що передбачає ферментативний характер каталізу. Утворення оксидів не відбувалося після додавання антибіотиків або пастеризації.

Вчені досліджували наліт оксиду марганцю, який виробляли бактерії. Виявилося, що він складається з бляшок діаметром 20-500 мікрометрів, темно-коричневих з темно-помаранчевими впячуваннями - в них і знаходилася велика частина бактерій.

Аналіз рибосомної РНК показав, що в середовищі містилося близько 70 видів бактерій, однак після послідовного розбавлення в розчині карбонату марганцю вижило тільки два види: один належить до типу, а другий - до бета-протеобактерій. На момент написання статті в окрему культуру вдалося виділити тільки другий вид, і він не міг поодинці окисляти марганець - значить, або перший вид робить це самостійно, або окислення марганцю вимагає кооперації.

Кількість окисленого марганцю в кокультурі двох видів спочатку зростала експоненціально, а потім сповільнювалася, і так само себе поводила біомаса. Це відповідає уявленням про зростання бактерій у культурі, а швидкість зростання колоній була порівнянна з такою для відомих хемолітотрофів.

Щоб перевірити, чи можуть бактерії використовувати енергію окислення марганцю для фіксації вуглецю, дослідники виростили їх у культурі з міченим карбонатом марганцю. В результаті обидва види включили в себе важкий ізотоп вуглецю - значить, що бактерії не просто вміють окисляти марганець, але і використовують енергію цієї реакції для засвоєння неорганічного вуглецю, тобто є автотрофами. За допомогою аналізу транскриптома вчені знайшли активні гени білків, які могли б здійснювати біохімічні каскади перенесення електронів від позаклітинного марганцю на кисень і автотрофну фіксацію вуглекислого газу.

Вчені розрахували, що колонія, яка виросла з двох клітин (по одній кожного з двох видів), може за два роки створити кількість оксиду, що дорівнює загальному світовому запасу марганцю. Знайдені бактерії можуть замикати невідомі досі цикли марганцю в природі, окисляючи метал, який відновлюють інші хемотрофи. Ці цикли можуть взаємодіяти з кругообігом вуглецю, азоту, водню та кисню.

Для хемосинтезу відкритим бактеріям необхідний не тільки марганець, але і кисень, як і більшості сучасних автотрофів. Але до кисневої катастрофи, коли всі організми були анаеробами, доводилося обходитися без кисню. Так діяли найдавніші знайдені сероокисливі бактерії, яких геологи виявили кілька років тому.