stringtranslate.com

Метаносарцина

Methanosarcina — род эвриархеотных архей , производящих метан . Эти одноклеточные организмы известны как анаэробные метаногены , которые производят метан, используя все три метаболических пути метаногенеза . Они живут в различных средах, где могут оставаться в безопасности от воздействия кислорода, будь то на поверхности земли, в грунтовых водах, в глубоких морских жерлах и в пищеварительном тракте животных. Метаносарцины растут колониями.

Аминокислота пирролизин была впервые обнаружена у вида Methanosarcina , M. barkeri . Примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans , что позволяет предположить, что этот микроб или его предок, возможно, сыграли решающую роль в эволюции жизни на Земле. Виды Methanosarcina также отличаются необычно большими геномами. M. acetivorans имеет самый большой известный геном среди всех архей.

Согласно теории, опубликованной в 2014 году, Methanosarcina, возможно, была в значительной степени ответственна за крупнейшее событие вымирания в истории Земли - пермско-триасовое вымирание . Теория предполагает, что приобретение нового метаболического пути посредством переноса генов с последующим экспоненциальным размножением позволило микробу быстро потреблять огромные запасы органического углерода в морских отложениях, что привело к резкому накоплению метана и углекислого газа в земных океанах и атмосфере, что привело к гибели около 90% видов в мире. Эта теория могла бы лучше объяснить наблюдаемый уровень изотопов углерода в отложениях того времени, чем другие теории, такие как вулканическая активность.

Метаносарцина используется для очистки сточных вод с середины 1980-х годов. Исследователи искали способы использовать его в качестве альтернативного источника энергии. Штаммы Methanosarcina выращивали с одноклеточной морфологией (Sowers et al. 1993) при 35°C в бульонной среде HS, содержащей 125 мМ метанола плюс 40 мМ ацетата натрия (среда HS-MA).

Обзор

Methanosarcina может быть единственным известным анаэробным метаногеном , который производит метан, используя все три известных метаболических пути метаногенеза . Метаногенез имеет решающее значение для промышленности по переработке отходов, а биологический метан также представляет собой важный альтернативный источник топлива. Большинство метаногенов производят метан из углекислого газа и газообразного водорода. Другие используют ацетат в ацетокластическом пути. В дополнение к этим двум путям виды Methanosarcina также могут метаболизировать метилированные одноуглеродные соединения посредством метилотрофного метаногенеза. К таким одноуглеродным соединениям относятся метиламины , метанол и метилтиолы. [1] Только виды Methanosarcina обладают всеми тремя известными путями метаногенеза и способны использовать не менее девяти метаногенных субстратов, включая ацетат.

Метаносарцины — самые разнообразные в мире метаногены с точки зрения экологии . Они встречаются в таких средах, как свалки, кучи сточных вод, глубокие морские жерла, глубокие подземные воды и даже в кишечнике многих различных копытных , включая коров, овец, коз и оленей. [1] Метаносарцины также были обнаружены в пищеварительном тракте человека. [2] M. barkeri может выдерживать экстремальные колебания температуры и длительное время обходиться без воды. Он может потреблять различные соединения или выживать исключительно за счет водорода и углекислого газа. [3] Он также может выжить в средах с низким pH , которые обычно опасны для жизни. [4] Отмечая его чрезвычайную универсальность, биолог Кевин Сауэрс предположил, что M. barkeri может даже выжить на Марсе. [3] Methanosarcina растут колониями и демонстрируют примитивную клеточную дифференциацию. [1]

В 2002 году исследователями Университета штата Огайо в M. barkeri была обнаружена аминокислота пирролизин . [5] Более ранние исследования группы показали, что ген M. barkeri имеет янтарный кодон (UAG) в рамке считывания , который не сигнализирует о конце белка, как обычно можно было бы ожидать. Такое поведение предполагало существование неизвестной аминокислоты, что было подтверждено в течение нескольких лет путем разрезания белка на пептиды и их секвенирования. Пирролизин был первой генетически кодируемой аминокислотой, открытой с 1986 года, и 22-й в целом. [6] Впоследствии он был обнаружен во всем семействе Methanosarcinaceae , а также в одной бактерии Desulfitobacterium hafniense .

И M. acetivorans , и M. mazei имеют исключительно большие геномы . По состоянию на август 2008 года M. acetivorans обладал самым большим секвенированным геномом архей с 5 751 492 парами оснований . Геном M. mazei имеет 4 096 345 пар оснований. [1]

Мембраны клеток Methanosarcina состоят из относительно коротких липидов, в основном из углеводородов C25 и простых эфиров C20. Большинство других метаногенов содержат углеводороды С30 и смесь простых эфиров С20 и С40. [7] [8]

Филогения

Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN) [9] и Национальном центре биотехнологической информации (NCBI). [10]

Роль в раннем развитии жизни на Земле

В 2004 году две примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans и другого архея, Aeropyrum pernix . [17] Эти глобины, известные как протоглобины, связываются с кислородом так же, как и гемоглобин. У M. acetivorans это позволяет удалить нежелательный кислород, который в противном случае был бы токсичным для этого анаэробного организма. Таким образом, протоглобины, возможно, открыли путь для эволюции более поздних форм жизни, зависящих от кислорода. [18] После Великого события оксигенации , когда в атмосфере Земли появился свободный кислород, способность перерабатывать кислород привела к широко распространенному излучению жизни и является одним из наиболее фундаментальных этапов эволюции форм жизни Земли. [17]

Вдохновленная M. acetivorans , группа исследователей из штата Пенсильвания под руководством Джеймса Г. Ферри и Кристофера Хауса в 2006 году предложила новую «термодинамическую теорию эволюции». Было замечено, что M. acetivorans превращает окись углерода в ацетат , ученые выдвинули гипотезу, что ранние «протоклетки», прикрепленные к минералам, могли аналогичным образом использовать примитивные ферменты для выработки энергии при выделении ацетата. Таким образом, теория стремилась объединить «гетеротрофную» теорию ранней эволюции, согласно которой первичный суп из простых молекул возник в результате небиологических процессов, и «хемоавтотрофную» теорию, согласно которой самые ранние формы жизни создали наиболее простые молекулы. Авторы заметили, что, хотя «дебаты между гетеротрофной и хемотрофной теориями вращались вокруг фиксации углерода», на самом деле «эти пути сначала развились для производства энергии. Впоследствии они эволюционировали для фиксации углерода». [2] Далее ученые предложили механизмы, которые позволили бы связанным с минералами протоклеткам стать свободноживущими и эволюционировать из ацетатного метаболизма в метан, используя те же энергетические пути. Они предположили, что M. acetivorans была одной из первых форм жизни на Земле, прямым потомком ранних протоклеток. Исследование было опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution в июне 2006 года. [2]

Недавно исследователи предложили гипотезу эволюции ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы на основе геномных доказательств Methanosarcina . [19] Ученые предполагают, что ацетаткиназа может быть урокиназой в главном суперсемействе белков, включающем актин . [20] Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что ацетаткиназа эволюционировала в древнем галофильном геноме Methanosarcina посредством дупликации и дивергенции гена ацетил-КоА-синтетазы . [19]

Роль в пермско-триасовом вымирании

Была выдвинута гипотеза, что производство метана Methanosarcina могло быть одной из причин пермско-триасового вымирания . Подсчитано, что 70% панцирных существ погибли от закисления океана из-за перенаселенности Methanosarcina . [21] Исследование, проведенное китайскими и американскими исследователями, подтверждает эту гипотезу. Используя генетический анализ около 50 геномов Methanosarcina , команда пришла к выводу, что микроб, вероятно, приобрел способность эффективно потреблять ацетат с помощью ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы примерно 240 ± 41 миллион лет назад, [а] примерно во время вымирания 252 миллиона лет. назад. [21] Гены этих ферментов могли быть получены от бактерий, разлагающих целлюлозу, путем переноса генов . [22] Перенос генов играет важную роль в адаптации видов Methanosarcina к окружающей среде: геномы некоторых видов содержат до 31% генов, приобретенных в результате переноса генов, таких как Methanosarcina mazei. [23]

Ученые пришли к выводу, что эти новые гены в сочетании с широко доступными отложениями органического углерода в океане и обильными запасами никеля [ b] позволили резко увеличить популяцию Methanosarcina . По их теории, это привело к выбросу большого количества метана в качестве отходов. [22] Затем часть метана была бы расщеплена на углекислый газ другими организмами. [24] Накопление этих двух газов привело бы к резкому снижению уровня кислорода в океане, а также к увеличению кислотности . Земной климат одновременно испытал бы повышение температуры и значительные изменения климата из-за выброса этих парниковых газов в атмосферу. Вполне возможно, что накопление углекислого газа и метана в атмосфере в конечном итоге привело к выбросу сероводорода , что еще больше увеличило нагрузку на земную жизнь. Выводы группы были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в марте 2014 года. [21]

Сторонники микробной теории утверждают, что она лучше объясняет быстрый, но постоянный рост уровня изотопов углерода в отложениях отложений того периода, чем извержение вулкана, которое вызывает всплеск уровня углерода, за которым следует медленное снижение. [22] Теория микробов предполагает, что вулканическая активность сыграла другую роль - поставляя никель, который был необходим Methanosarcina в качестве кофактора . Таким образом, микробная теория утверждает, что сибирская вулканическая активность была катализатором, но не основной причиной массового вымирания. [25]

Использование людьми

В 1985 году компания Shimizu Construction разработала биореактор , в котором используется метаносарцина для очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности и бумажных фабрик. Вода подается в реактор, где микробы расщепляют частицы отходов. Метан, вырабатываемый бактериями, затем используется для питания реактора, что делает его эксплуатацию дешевой. В ходе испытаний Methanosarcina снизил концентрацию отходов с 5 000–10 000 частей на миллион (ppm) до 80–100 ppm. Для завершения процесса очищения необходимо было дальнейшее лечение. [26] Согласно отчету журнала Chemistry and Industry за 1994 год , биореакторы, использующие анаэробное сбраживание с помощью Methanothrix soehngenii или Methanosarcina , производят меньше побочных продуктов ила, чем аэробные аналоги. Реакторы метаносарцины работают при температуре от 35 до 55 °C и диапазоне pH 6,5-7,5. [27]

Исследователи искали способы более широкого использования способности Methanosarcina производить метан в качестве альтернативного источника энергии. В декабре 2010 года исследователи из Университета Арканзаса успешно внедрили в M. acetivorans ген , который позволил ему расщеплять сложные эфиры . Они утверждали, что это позволит более эффективно преобразовывать биомассу в метан для производства электроэнергии. [28] В 2011 году было показано, что большая часть метана, образующегося при разложении на свалках, поступает из M. barkeri . Исследователи обнаружили, что микроб может выживать в среде с низким pH и потребляет кислоту, тем самым повышая pH и позволяя процветать более широкому спектру форм жизни. Они утверждали, что их результаты могут помочь ускорить исследования по использованию метана, вырабатываемого архей, в качестве альтернативного источника энергии. [4]

Примечания

  1. ^ Это значение представляет собой предполагаемую дату последнего общего предка тех штаммов Methanosarcina , которые могли легко расти на ацетате.
  2. ^ Никель-тетрапирроловый кофермент, кофактор F430 , присутствует в метилкоферменте М- редуктазе, который катализирует заключительный этап высвобождения метана метаногенами.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcd Галаган, JE; Нусбаум, К.; Рой, А.; Эндрицци, МГ; Макдональд, П.; Фицхью, В.; Кальво, С.; Энгельс Р.; Смирнов С.; Атнур, Д.; Браун, А.; Аллен, Н.; Нейлор, Дж.; Штанге-Томанн, Н.; Диреллано, К.; Джонсон, Р.; Линтон, Л.; Макьюэн, П.; МакКернан, К.; Таламас, Дж.; Тиррелл, А.; Йе, В.; Циммер, А.; Барбер, доктор медицинских наук; Канн, И.; Грэм, Делавэр; Грэм, округ Колумбия; Гасс, AM; Хеддерих, Р.; Ингрэм-Смит, К. (2002). «Геном M. Acetivorans демонстрирует обширное метаболическое и физиологическое разнообразие». Геномные исследования . 12 (4): 532–542. дои : 10.1101/гр.223902. ПМК  187521 . ПМИД  11932238.
  2. ^ abc «Насекомые, изрыгающие метан, вдохновляют на создание новой теории происхождения жизни на Земле». Космическая газета . 15 мая 2006 г.
  3. ↑ ab Майкл Ширбер (14 июля 2009 г.). «Разыскиваются: спокойные марсианские соседи по комнате». Космическая газета .
  4. ^ ab «Исследователи идентифицируют микроб, ответственный за метан на свалках» (пресс-релиз). Государственный университет Северной Каролины – Роли. 6 апреля 2011 г.
  5. ^ "Научный блокнот". Вашингтон Пост . 27 мая 2002 г. с. А09.
  6. ^ «Обнаружена новая аминокислота». Прикладная генетика . 22 (11). Июнь 2002 года.
  7. ^ Ян Керман. «Метаносаркина баркери» . Проверено 9 апреля 2014 г.
  8. ^ Г. Д. Спротт; Си Джей Дикер; ГБ Патель (1994). «Эфирные липиды Methanosarcina mazei и других видов Methanosarcina, сравнение с помощью масс-спектрометрии с бомбардировкой быстрыми атомами». Канадский журнал микробиологии . 40 (10): 837–843. дои : 10.1139/m94-133.
  9. ^ JP Эзеби. «Метаносарцина». Список названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN) . Проверено 17 ноября 2021 г.
  10. ^ Сэйерс; и другие. «Метаносарцина». База данных таксономии Национального центра биотехнологической информации (NCBI) . Проверено 5 июня 2022 г.
  11. ^ "ЛТП" . Проверено 10 мая 2023 г.
  12. ^ "Дерево LTP_all в формате Ньюика" . Проверено 10 мая 2023 г.
  13. ^ «Примечания к выпуску LTP_06_2022» (PDF) . Проверено 10 мая 2023 г.
  14. ^ "Выпуск GTDB 08-RS214" . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
  15. ^ "ar53_r214.sp_label". База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
  16. ^ «История таксона». База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
  17. ^ ab «Старейшие предки гемоглобина дают ключ к разгадке древнейшей жизни, основанной на кислороде» (пресс-релиз). Национальный научный фонд. 20 апреля 2004 г.
  18. ^ «Ученые нашли примитивные гемоглобины». УПИ. 20 апреля 2004 г.
  19. ^ аб Барнхарт, Эллиот П.; МакКлюр, Марселла А.; Джонсон, Кики; Кливленд, Шон; Хант, Кристофер А.; Филдс, Мэтью В. (3 августа 2015 г.). «Потенциальная роль ацетил-КоА-синтетазы (acs) и малатдегидрогеназы (mae) в эволюции ацетатного переключателя у бактерий и архей: научные отчеты». Научные отчеты . 5 (1): 12498. doi :10.1038/srep12498. ПМЦ 4522649 . ПМИД  26235787. 
  20. ^ Басс, Калифорния; Купер, доктор медицинских наук; Ингрэм-Смит, К.; Ферри, Дж. Г.; Сандерс, Д.А.; Хэссон, MS (1 января 2001 г.). «Уркиназа: структура ацетаткиназы, члена суперсемейства фосфотрансфераз ASKHA». Журнал бактериологии . 183 (2): 680–686. дои : 10.1128/JB.183.2.680-686.2001. ISSN  0021-9193. ПМК 94925 . ПМИД  11133963. 
  21. ^ abc Ротман, DH; Фурнье, врач общей практики; французский, КЛ; Альм, Э.Дж.; Бойл, Э.А.; Цао, К.; Вызов, RE (31 марта 2014 г.). «Метаногенный всплеск в углеродном цикле конца перми». Труды Национальной академии наук . 111 (15): 5462–7. Бибкод : 2014PNAS..111.5462R. дои : 10.1073/pnas.1318106111 . ПМЦ 3992638 . ПМИД  24706773. 
  22. ↑ abc Стив Коннор (31 марта 2014 г.). «Вулканы? Метеоры? Нет, худшее массовое вымирание в истории – Великое вымирание – могло быть вызвано сексом микробов» . независимый . Архивировано из оригинала 12 мая 2022 г. Проверено 31 марта 2014 г.
  23. ^ Деппенмайер, Уве; Иоганн, Андре; Хартч, Томас; Меркл, Райнер; Шмитц, Рут А.; Мартинес-Ариас, Роза; Хенне, Анке; Визер, Арним; Боймер, Себастьян; Якоби, Карстен; Брюггеманн, Хольгер; Линард, Таня; Кристманн, Андреас; Бёмеке, Мехтильд; Стеккель, Силке (июль 2002 г.). «Геном Methanosarcina mazei: доказательства латерального переноса генов между бактериями и архей». Журнал молекулярной микробиологии и биотехнологии . 4 (4): 453–461. ISSN  1464-1801. ПМИД  12125824.
  24. ↑ Лаура Даттаро (31 марта 2014 г.). «Крупнейшее вымирание в истории Земли, вызванное микробами, как показывают исследования». Канал о погоде . Проверено 31 марта 2014 г.
  25. ↑ Уилл Данэм (31 марта 2014 г.). «Микроб, извергающий метан, обвинен в худшем массовом вымирании на Земле» . Рейтер . Проверено 31 марта 2014 г.
  26. ^ «Симидзу разрабатывает дешевую и простую технику очистки сточных вод» . Японский экономический журнал . 18 июня 1985 г. Раздел «Химия и текстиль», стр. 17.
  27. ^ «Анаэробные биореакторы становятся экономичными». Водные технологии . 2 (4). Июль 1994 года.
  28. ^ «Инженер-исследователь: новый путь производства метана в микроорганизмах» (пресс-релиз). Университет Арканзаса. 8 декабря 2010 г.

Внешние ссылки