Морские бактерии Crocosphaera watsonii – экономия железа для жизни в океане

В глубинах океанских вод, где ощущается острый недостаток важнейшего из питательных веществ – железа, обитают морские бактерии. Являясь основой, первой ступенью пищевой цепочки океана, они способны выживать в таких условиях благодаря сложному биохимическому процессу, позволяющему им использовать железо снова и снова, днем – для производства фотосинтезирующими ферментами углеводов, ночью – для производства совсем другими ферментами  органического азота для белков. Бактерии Crocosphaera watsonii – одни из немногих видов морских микробов, способных преобразовывать растворенный газ азот в органический азот, служащий удобрением для роста растений в океане (как и на суше). Таким образом, производительность («плодородность») океана напрямую зависит от количества азота, синтез которого ограничивается малым количеством необходимого ферментам железа.

По словам ученых Вудсхоулского океанографического института (WHOI) и Массачусетского технологического института (MIT), обнаруженная ими способность бактерий сохранять драгоценное железо и использовать его в течение дня для поддержания разных метаболических процессов дает нам удивительный ключ к разгадке тайн жизни на нашей планете. Открытие было представлено общественности 10го января в научном журнале Академии наук США «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS).

Ученые называют изученное ими явление «hot bunking» (буквально, «теплая койка», термин, означающий посменное использование спальных мест), имея в виду суда, на борту которых спальных мест предусмотрено меньше, чем моряков. Койки постоянно остаются теплыми, так как матросы, отработав ночную смену, тут же занимают места, освобожденные членами экипажа дневной смены.

Бактерии Crocosphaera используют железосодержащие ферменты нитрогеназы для преобразования растворенного газа азота в органический азот (процесс, называемый «азот-фиксацией»). На восходе бактерии разрушают эти ферменты, высвобождая железо, которое теперь может использоваться для формирования фотосинтетических ферментов, необходимых для преобразования растворенного диоксида углерода в углеводы. После заката многие из фотосинтетических ферментов точно так же распадаются, высвобождая железо для переработки его в нитрогеназу.

Crocosphaera принадлежит к подгруппе бактерий, называемых цианобактериями. «В них есть что-то от доктора Джекила и мистера Хайда: днем это фотосинтезирующие бактерии, а ночью — азотфиксирующие», – заметил Мак Сайто, биогеохимик WHOI и ведущий автор работы, представленной PNAS. Ученые и раньше знали о необычной двойной метаболической способности цианобактерий, но понятия не имели, как им это удается в условиях дефицита железа. Конечно, на ежедневное разрушение и восстановление ферментов бактерии приходится тратить какое-то количество энергии, но возможность по максимуму использовать железо того стоит. Ученые подсчитали, что с помощью «hot bunking»-стратегии, организм может выжить, имея на 40 процентов меньше железа, чем ему понадобилось бы в нормальных условиях. Это позволяет Crocosphaera развиваться и производить столь необходимый океану органический азот даже в бедных железом водах, которые иначе отличались бы куда меньшей производительностью.

Удивительное обилие сине-зеленых водорослей в океане привлекло внимание микробиолога WHOI Стэнли Уотсона и его коллег Фредерика Валуа и Иоанна Уотербери еще в 1970-х годах. Впоследствии это вылилось в новаторские исследования важнейшей экологической роли цианобактерий в жизни океана и планеты. Собственно, и свое название Crocosphaera watsonii получили в честь покойного доктора Уотсона.

Культивирование цианобактерий в лабораторных условиях оказались крайне непростым делом. Однако в конце концов Уотербери, Валуа и их коллеги разработали надежные методы их разведения, и сегодня в новом здании под названием «Лаборатория Стэнли У. Уотсона» содержится целая коллекция клеток цианобактерий.

Эта подборка служит ученым всего мира своеобразной «библиотекой» клеток. В числе использовавших ее богатства исследователей – представители нового поколения ученых и сотрудников Лаборатории Уотсон:  Сайто, аспирант Эрин Бертран, лаборанты Владимир Булыгин и Дон Моран. На этот раз они взялись изучать океан с помощью нового метода биомедицинского исследования: протеомики. В то время как геномика изучает гены в организме (его геном), протеомика занимается изучением белков на основе данных, закодированных в генах (его протеом).

Один из ключевых моментов методики связан с использованием масс-спектрометров, которые позволяют выделить и подсчитать количество различных белков в организме, исходя из бесконечно малых различий в их массах. Исследователи подсчитали количество железосодержащих белков бактерий в темное и светлое время суток. Выяснилось, что азотфиксирующие ферменты практически отсутствовали в течение всего светового дня и наличествовали ночью; количество же железосодержащих фотосинтезирующих ферментов снижалось в темное время суток и вновь возрастало при свете дня. Таким образом, днем ли, ночью, Crocosphaera требуется только половина того количества железа, какое было бы необходимо бактерии для поддержания обоих наборов ферментов в течение всего дня.

Для изучения масштабов влияния Crocosphaera на океан ученые Массачусетского технологического института – Стефани Дуткевич, Фанни Монтейру и Мик Фоллоус – использовали математическую модель, имитирующую всемирную океаническую циркуляцию, биохимию океана и динамику его экосистем. Модель показала, что способность Crocosphaera сокращать потребление железа позволило бактериям заселить бедные железом области океана. Она также обеспечила возможность роста популяции цианобактерий за счет того же количестве железа. Последовавшее увеличение масштабов фиксации азота послужило развитию других форм морской жизни, находящихся выше по пищевой цепи.

Финансирование исследования обеспечивалось Национальным научным фондом, Звездным содружеством Агентства по охране окружающей среды (Star Fellowship), Институтом по изучению жизни океана WHOI и Центром экологической бионеорганической химии Принстонского университета.

Источник: www.sciencedaily.com