Российские микробиологи выделили первых представителей древней линии архей из горячих источников Камчатки и Курильских островов. Эти микроорганизмы способны жить в экстремальных условиях – при высокой кислотности и температуре. В отличие от известных термоацидофилов, новые штаммы метаболически уникальны – они запасают энергию исключительно за счет брожения на углеводах. На основе микробиологических экспериментов с чистыми культурами, а также детального геномного анализа группа ученых из России, Нидерландов и Австрии описала новый порядок живых существ внутри нового класса, названного 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.
С развитием молекулярно-биологических методов стало ясно, что культивируется лишь ничтожная часть микроорганизмов (до 3,5%). Большинство остается так называемой “микробной темной материей”, их метаболизм и роль в экосистемах оцениваются преимущественно по метагеномным данным, не дающим полного и качественного понимания. Особенно сложна задача выделения чистых культур архей – древнейшего и наименее изученного домена жизни. Хотя археи встречаются повсеместно, а иногда и доминируют над другими организмами (как например, в кислых горячих источниках), большинство из них до сих пор не удается вырастить в лаборатории.
Микробиологам из ФИЦ Биотехнологии РАН удалось выделить две чистые культуры (штаммы MP-3918 и АК-3817) некультивируемой ранее группы архей очень глубокого ранга из наземных горячих источников Камчатки и Курильских островов. Проведенныеполномасштабные исследования совместно с коллегами из Европы продемонстрировали отчетливое выделение этой линии в отдельный новый порядок (Tardisphaerales), входящий в новый класс (Tardisphaeria).
«Один из выделенных видов, Tardisphaera miroshnichenkoae sp. nov., назван в честь нашей коллеги, российского микробиолога Маргариты Мирошниченко. Мы хотели почтить память Маргариты Леонтьевны за ее выдающийся научный вклад в изучение микробного разнообразия экстремофилов. Название второго вида, T. saccharovorans sp. nov., можно перевести, как «пожирающий сахар»»,— пояснила один из авторов исследования Мария Прокофьева, научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН.
Новые археи – это мелкие, медленно растущие клетки неровной кокковидной формы, способные жить при низких значениях рН и повышенных температурах (так называемые умеренно термофильные и ацидофильные организмы). Эти организмы – строгие анаэробы, то есть живут без кислорода. Комплексное исследование метаболизма с использованием микробиологических экспериментов и полной реконструкции геномов показало, что они существенно отличаются от известных термоацидофильных бактерий и архей, запасая энергию только за счет брожения, а не дыхания, предпочитая в качестве субстратов сложные полисахариды.
Эта метаболическая способность обусловлена многочисленными генами, кодирующими разнообразные гликозидазы – ферменты, отвечающие за расщепление полисахаридов. Сравнительный геномный анализ всего порядка Tardisphaerales показал, что гидролиз разнообразных углеводов является характерной чертой этой группы.
Кроме того, первые выделенные представители рода Tardisphaera продемонстрировали заметную устойчивость к кислым условиям, ранее не наблюдавшуюся у термоацидофилов. Штаммы поддерживали высокую численность при pH 4,0 в течение 1–2 месяцев в чистой культуре и более полугода в высокообогащённых культурах.
Еще одна удивительная особенность новых анаэробных микроорганизмов – это способность выдерживать длительное присутствие кислорода в среде. Это связано с наличием системы детоксификации, обнаруженной в обоих геномах – одна из самых мощных систем защиты от активных форм кислорода, выявленных среди термоацидофильных организмов. Это позволяет археям процветать в кислых средах с повышенным окислительным стрессом.
«Новые археи, которых мы выделили, постоянно удивляли нас. Хотелось бы отметить один парадоксальный факт: их геномы – одни из самых маленьких для свободноживущих организмов, но при этом у них очень гибкий и разнообразный обмен веществ. Вероятно, такая комбинация отражает эволюционную оптимизацию – у них уменьшен геном, но при этом они умеют адаптироваться и использовать разные ресурсы. Они экономно расходуют энергию и умеют эффективно работать с тем, что есть в окружающей среде, даже если условия постоянно меняются. Мы показали, что представители нашей новой группы архей очень многочисленны в кислых и горячих местах обитания. Значит, подобная оптимизация дает им возможность, несмотря на низкий энергетический выход от брожения, успешно конкурировать с остальными обитателями горячих источников», — рассказала Татьяна Кочеткова, старший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН, руководитель гранта РНФ.
Результаты исследований показали, что представители нового порядка Tardisphaerales обитают в кислых эконишах по всему миру, включая геотермальные и мезофильные места. В горячих кислых гидротермах на Камчатке и Курилах эта группа архей может составлять до 40% от всего микробного состава.
«Такая высокая численность и распространенность указывает на ключевую экологическую роль наших архей, вероятно, как основных участников первичной деградации органического вещества в этих местах обитания. Специализация на гидролизе полисахаридов, по-видимому, обеспечивает этим медленнорастущим археям адаптивное преимущество, поскольку большинство других гетеротрофных термоацидофилов предпочитают пептиды или простые сахара. Сочетание мощной системы защиты от активных форм кислорода, длительной кислотной устойчивости и уникальной способности этих архей использовать повсеместно встречающиеся полисахариды, поступающими с остатками высших растений, водорослей и прокариот, вероятно, объясняет их доминирование в отложениях кислых сред с умеренными температурами» — пояснил Александр Ельченинов, один из руководителей этой работы, научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН.
Открытие и культивирование новой линии архей расширяют таксономию прокариот и выявляют ключевых участников круговорота углерода в кислых геотермальных экосистемах.
Геномы новых архей богаты генами, кодирующими ферменты, способные эффективно расщеплять углеводы в кислых условиях и высоких температурах. Это делает их ценным источником кислотоустойчивых термозимов, идеально подходящих для промышленных технологий, где нужны надежные и выносливые биокатализаторы. Такие ферменты открывают новые возможности в зеленой биотехнологии, производстве кормов с улучшенной усвояемостью и в крахмальной промышленности, где стабильность при высокой температуре и низком pH — решающий фактор успеха.
Проведенное полномасштабное исследование подчёркивает необходимость объединения современных генетических технологий и классических микробиологических экспериментов для надёжных и достоверных подтверждений функциональных прогнозов. Синергия этих подходов критически важна для глубокого понимания биологических процессов и успешного продвижения инноваций в науке.
Источник фотографии: ФИЦ Биотехнологии РАН (автор: Алина Карасева, младший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН).