Открытие бактериального «источника энергии» возрастом 2,5 миллиарда лет
Исследователи обнаружили новый вид бактерий, энергетический метаболизм которых основан исключительно на окислении фосфита в фосфат. В отличие от большинства живых организмов, их энергообеспечение не зависит от света или разложения органических веществ. Считается, что этот процесс начался более 2,5 миллиарда лет назад, вероятно, в результате одной из первых биохимических эволюций самых древних форм жизни на Земле.
Составляя около 0,09 % от общей массы земной коры, фосфор является важнейшим элементом метаболизма всех живых существ на планете. Из-за своей высокой реакционной способности он никогда не встречается в природе в своей элементарной форме, а находится в виде таких соединений, как неорганический фосфат, фосфит, гипофосфит, фосфин, фосфатные эфиры и органические фосфонаты.
К наиболее устойчивым соединениям фосфора относятся фосфаты — важнейшие компоненты ДНК, аденозинтрифосфат (или АТФ, основной источник энергии для большинства клеточных функций), фосфолипиды (составляющие клеточные мембраны) и т.д.
Было высказано предположение, что превращение (путем окисления) фосфита в фосфат также может служить источником энергии для некоторых микроорганизмов. В частности, этот процесс позволит получать энергию только в присутствии фосфита, не требуя света (как у фотосинтезирующих организмов) или разложения органического вещества.
Однако хотя эта гипотеза была выдвинута в 1980-х годах, для понимания точного биохимического механизма не хватало ключевого элемента: фермента, необходимого для реакции. Однако недавнее открытие анаэробных бактерий, которые получают энергию исключительно из фосфита, похоже, подтверждает эту гипотезу. Команде из Университета Констанца (Германия) удалось выделить эти микроорганизмы, чтобы более детально изучить их энергетический метаболизм. Их результаты, опубликованные на платформе , позволили наконец обнаружить знаменитый фермент, необходимый для этого процесса.
Бактерии, питающиеся исключительно фосфитом
Фосфит образуется естественным образом в результате молний и вулканических извержений и в небольших количествах встречается в природных водных экосистемах и на очистных сооружениях. Его окисление живыми организмами впервые было замечено у Desulfotignum phosphitoxidans, анаэробных бактерий, обитающих в морских отложениях. Позже команда из Университета Констанца обнаружила еще один вид - Phosphitispora fastidiosa, который также черпает энергию из фосфита и был выделен из осадка очистных сооружений. Когда ее культивировали в среде, где источником питания был только фосфит (то есть без кислорода, света и органических веществ), она размножалась.
"Эта бактерия выживает благодаря окислению фосфита и, насколько нам известно, исключительно благодаря этой реакции", — объясняет соавтор исследования Бернхард Шинк в пресс-релизе Университета Констанца. "Таким образом, она обеспечивает энергетический метаболизм и в то же время может строить свое клеточное вещество из CO2", — добавляет он.
"Что очень удивительно, так это то, что в процессе окисления фосфит, по-видимому, соединяется непосредственно с предшественником энергоносителя AMP, в результате чего образуется энергоноситель ADP", — объясняет Николай Мюллер, также один из соавторов исследования.
Более конкретно, с помощью трехмерного моделирования структуры и центра активации было установлено, что фермент катализирует окисление фосфита в присутствии аденозинмонофосфата (AMP) с образованием аденозиндифосфата (ADP). В последующей реакции два образовавшихся ADP превращаются в один ATP.
Процесс, начавшийся еще на первобытной Земле
По мнению специалистов, это не только новый вид бактерий, но и принадлежащий к никогда ранее не регистрировавшемуся роду. Результаты исследования, в частности, показывают, что реакция фосфорилирования происходит исключительно за счет фосфита, что очень необычно для живого организма.
Более того, предполагается, что это примитивный биохимический механизм, возникший, вероятно, еще в архейские времена, около 2,5 миллиарда лет назад. Это был период, когда Земля только начала остывать, и фосфит все еще был в изобилии в земной коре (которая в то время была менее окисленной). Это позволяет предположить, что фосфит, вероятно, сыграл ключевую роль в эволюции первых форм жизни, у которых в качестве источника энергии были только неорганические соединения.