Ученые вырастили архей, давно считающихся некультивируемыми

Кальдера Узон (Камчатка) и новый вид археи Tardisphaera saccharovorans, штамм АК-3817.

© Алина Карасева

Российские микробиологи выделили первых представителей древней линии архей, перерабатывающих сложные сахара, из горячих источников Камчатки и Курильских островов. Эти микроорганизмы способны жить в экстремальных условиях — при высокой кислотности и температуре. В отличие от известных обитателей таких мест, новые штаммы запасают энергию исключительно за счет брожения на углеводах. Эти микроорганизмы ценны для биотехнологий благодаря их способности производить устойчивые к температурам и кислотам ферменты. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале mSystems.

С развитием молекулярно-биологических методов стало ясно, что менее 3,5% микроорганизмов, живущих на Земле, поддается культивированию — выращиванию в лабораторных условиях в виде чистых, не загрязненных другими видами, культур. Большинство остается так называемой «микробной темной материей»: их метаболизм — обмен веществ — и роль в экосистемах оцениваются преимущественно по данным анализа генов в ДНК, выделенных из природных экосистем. Однако такой способ не дает полного и качественного понимания, а порой и ошибочен, если дело касается очень древних линий. Археи, представители древнейшего и наименее изученного домена жизни, считаются самыми сложными для исследования объектами, т.к. плохо поддаются культивированию. 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.

Микробиологи из Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН (Москва) с коллегами выделили две чистые культуры некультивируемой ранее группы архей из наземных горячих источников Камчатки и Курильских островов. Проведенные полномасштабные исследования позволили отнести этих представителей к отдельному новому порядку архей Tardisphaerales, входящему в новый класс Tardisphaeria.

«Один из выделенных видов, Tardisphaera miroshnichenkoae sp. nov., мы назвали 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, Tardisphaera saccharovorans sp. nov., можно перевести как "пожирающий сахар"», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Мария Прокофьева, научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН.

Новые археи представляют собой мелкие, медленно растущие клетки неровной кокковидной формы, способные жить в кислой среде (при низких значениях рН) и повышенных температурах (так называемые термофильные и ацидофильные организмы). Эти организмы — строгие анаэробы, то есть они живут без кислорода.

Авторы исследовали метаболизм новых видов и полностью расшифровали их геномы. Оказалось, что исследуемые микроорганизмы существенно отличаются от известных термоацидофильных бактерий и архей: они запасают энергию только за счет брожения, а не дыхания, и предпочитают в качестве субстратов для роста сложные полисахариды. Сравнительный геномный анализ всего порядка Tardisphaerales показал, что расщепление углеводов характерно для всех представителей этой группы. Еще одна удивительная особенность новых анаэробных микроорганизмов — это способность выдерживать длительное присутствие кислорода в среде. Она связана с наличием одной из самых мощных систем защиты от активных форм кислорода, выявленных среди термоацидофильных организмов. Это позволяет археям процветать в кислых средах с повышенным окислительным стрессом.

«Интересно, что геномы описанных нами архей — одни из самых маленьких среди свободноживущих организмов. При этом новые виды имеют очень гибкий и разнообразный обмен веществ. Они экономно расходуют энергию и умеют эффективно работать с различными ресурсами, которые есть в окружающей среде, даже если условия постоянно меняются. Мы показали, что представители нашей новой группы 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», — пояснила Татьяна Кочеткова, старший научный сотрудник лаборатории метаболизма экстремофильных прокариот ФИЦ Биотехнологии РАН, руководитель гранта РНФ.

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.

Источник: indicator.ru