Настоящее разнообразие жизни: что умеют бактерии

Кто такие прокариоты 

Клетки бактерий и архей в десять, а иногда и в тысячу раз мельче клеток эукариот, поэтому мы их не можем увидеть без очень сильных увеличительных приборов. И бактерии, и археи, несмотря на свои малые размеры, могут быть полностью автономными организмами, то есть обеспечивать себя всем необходимым для жизни. Морфологически они устроены очень просто, но при этом способны на колоссальное разнообразие химических реакций. Именно в этом отношении они гораздо более разнообразны, чем все остальные существа на нашей планете. С точки зрения осуществляемых биохимических реакций вся остальная жизнь внутри двух больших групп — растений и животных — очень близка друг к другу, хотя и не похожа внешне.

Все живые существа на Земле делятся на три большие группы, или домена: бактерии, археи и эукариоты. Бактерии и археи — это так называемые прокариоты, их клетки устроены очень просто, и в них нет ядра. Эукариоты — это все остальные организмы, у которых генетический материал находится в специальной структуре — ядре. Хотя археи и бактерии внешне очень похожи, по базовым механизмам они отличаются друг от друга так же, как и от эукариот. Клеточные мембраны архей, важнейшие метаболические пути и аппарат синтеза белка имеют свои особенности.

Как прокариоты получают энергию

В процессе фотосинтеза растения используют энергию света и берут углерод из углекислого газа атмосферы для построения органического вещества своих клеток. При этом образуется свободный кислород. Животные и грибы используют органическое вещество растений или других животных в качестве источника энергии, но для того, чтобы извлечь эту энергию, им нужен окислитель. В качестве окислителя они используют кислород. Если написать соответствующее химическое уравнение, то получится процесс, обратный фотосинтезу. На этих двух процессах строится вся жизнь макромира на Земле. 

А вот у микробов источники энергии очень разнообразные. Помимо света и органического вещества (растения и животные), бактерии могут использовать энергию неорганических соединений: водорода, метана, сероводорода, NH₄⁺, Fe²⁺. А окислителем может быть не только кислород, но и другие соединения: CO₂, SO₄^–2, S⁰, Fe⁺³, NO^3–. И тот и другой список далеко не полный: молекулярная кухня бактерий необычайно разнообразна.

Окислитель — вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие к себе электроны во время химической реакции.

Первым способность микроорганизмов использовать неорганические соединения как источник энергии обнаружил Сергей Николаевич Виноградский в конце XIX века. В его экспериментах серобактерии окисляли серу в серную кислоту. Он назвал этот процесс хемосинтезом: если фотосинтез — это синтез органического вещества за счет энергии света, то хемосинтез — то же самое, но за счет богатых энергией неорганических соединений. Другое название хемосинтеза — литотрофия (буквально — «поедание камня», то есть неорганических веществ). Как и фотосинтез, литотрофия (или хемосинтез) может сопровождаться автотрофией — использованием CO₂ для синтеза органических молекул — сначала простейших, а из них более сложных. В отличие от растений, у микроорганизмов есть семь различных ферментативных механизмов включения CO₂ в состав органических молекул, причем три из них открыты совсем недавно.

Помимо использования углекислоты для построения органического вещества, микроорганизмы (не все, а только так называемые азотфиксаторы) умеют использовать газообразный азот для синтеза аминокислот, а затем белков. Это очень важный для биосферы процесс, так как микроорганизмы — единственные живые существа, которые умеют ассимилировать молекулярный азот и вовлекать его в метаболизм. Они живут в симбиозе с бобовыми растениями в специальных клубеньках, образующихся на корнях. Именно поэтому бобовые могут расти почти на любой почве. Когда их биомасса разлагается — опять же с помощью микроорганизмов, — азот в форме аммония поступает в почву и становится доступен для других растений. Существуют и свободноживущие азотфиксаторы, которые также обогащают почву аммонийным азотом.

Еще один важный процесс — это разложение целлюлозы. Целлюлоза — главный полимер, обеспечивающий жесткость структуры растений и состоящий из молекул глюкозы, организованных в сложную структуру. В древесине она еще и прочно связана с лигнином. Высшие животные не могут разлагать такие соединения, а вот у бактерий есть для этого специальные ферменты. В желудке коровы есть отдел, где находятся микробы, которые разлагают целлюлозу. Аналогичные симбионты есть у всех травоядных. Они помогают им переваривать растительную пищу.

Вообще говоря, микроорганизмы могут многие органические вещества, например углеводы, окислять в анаэробных условиях — сбраживать или полностью окислять в ходе анаэробного дыхания. Человек испокон веков использует процесс брожения в хозяйстве: при квашении капусты, засолке огурцов, скисании молока, пивоварении. В ходе брожения образуются недоокисленные продукты: этанол, ацетат, другие спирты и органические кислоты, а также водород. В природе продукты брожения могут окисляться в результате анаэробного дыхания, при котором используются иные, чем кислород, окислители. Всевозможные сочетания используемых неорганических доноров и акцепторов электронов делают микробов и осуществляемые ими процессы важным компонентом биосферы, благодаря которым происходят циклические превращения неорганических соединений.

Бактерии способны осуществлять множество разнообразных реакций, что позволяет использовать для разложения ксенобиотиков — веществ, созданных человеком и не существующих в природе. Однако пока далеко не все пластики разлагаются, и наша задача — либо найти бактерий, которые будут ими питаться, либо сделать биоразлагаемые пластики, которые не будут накапливаться и загрязнять природу.

Как исследуют микробов

Как изучать организмы, которые невозможно увидеть? По внешнему виду клеток микроорганизмов в микроскопе ничего нельзя сказать про процессы, которые они осуществляют. Однако еще в XIX веке Роберт Кох придумал метод, позволивший исследовать свойства микроорганизмов. Если на агаризованном субстрате, напоминающем по виду желе, тонким слоем распределить в правильной концентрации смесь микробных клеток, то они будут расти в виде отдельных островков, называющихся колониями. Все клетки в колонии происходят от одной-единственной бактерии, то есть в генетическом отношении идентичны друг другу. Их можно вырастить уже в жидкой питательной среде. Такая популяция одинаковых клеток называется «чистая культура», и ее можно исследовать как единый организм: какие вещества она использует для роста, какие продукты образует. С помощью этого метода в ХХ веке в микробиологии были достигнуты большие успехи. 

Однако с появлением возможности определения последовательностей геномов или их участков ситуация изменилась. Оказалось, что, хотя сейчас и описаны десятки тысяч видов микроорганизмов, это только 5% от их настоящего разнообразия, а по данным некоторых авторов, и меньше. Как это выяснилось? Как удалось это установить? Американским ученым Карлом Вёзе был выбран консервативный участок гена 16S рРНК: сравнивая эти гены у различных микроорганизмов, можно определить, как давно разошлись их группы. 16S рРНК — один из трех основных типов рРНК, образующих основу рибосом прокариот, находятся в их малой (30S) субъединице. Константа седиментации равна 16S; константы двух других молекул равны 5 и 23 S. Длина 16S рРНК — около 1600 нуклеотидов. У эукариот существуют аналогичные рибонуклеиновые кислоты 18S рРНК, состоящие приблизительно из 2500 нуклеотидов.

Однако выбор гена 16S рРНК как единого филогенетического маркера, объясняющего происхождение живых существ, открыл и другие возможности. Оказалось, что можно взять природный образец — воду, почву, содержимое кишечника — и определить все разнообразие генов 16S рРНК в микробном сообществе этой пробы. Так выяснилось, что подавляющее большинство микроорганизмов в природных сообществах в лабораторных условиях не культивировались. 

Сейчас технические возможности позволяют взять пробу и отсеквенировать всю ДНК, которая там есть, — это так называемое метагеномное секвенирование. В результате получается смесь случайных фрагментов. Затем отдельные фрагменты с помощью специальных программ собираются в более длинные структуры — контиги. Для этого они должны быть секвенированы много раз в разных сочетаниях, как минимум с шестикратным перекрытием одних и тех же участков генома. В результате в метагеномах можно исследовать уже не только гены 16S рРНК, но и функциональные гены, то есть понять, какую функцию выполняют присутствующие в сообществе микробы, в том числе некультивируемые. Для того чтобы привязать функцию к определенному микроорганизму, нужно попытаться собрать из метагенома полный геном нового организма. Поскольку ДНК у микробов замкнута в кольцо, цель — замкнуть его. Тогда считается, что геном микроорганизма полностью прочитан, его можно характеризовать. Безусловно, у такого метода есть недостатки: из смеси ДНК разных микроорганизмов можно собрать химерный геном. Но с каждым годом точность анализа становится выше.

Сборка геномов

Исследуя геномы уже известных культивируемых микроорганизмов, можно обнаружить у них новые свойства. Например, реакцию взаимодействия муравьиной кислоты с водой с образованием водорода и CO₂, которая дает микроорганизму энергию, в нашей лаборатории предсказали на основании генетического анализа. Мы занимались исследованием аналогичной реакции окиси углерода с водой, свойственной целому ряду термофильных архей и бактерий, обитающих в горячих источниках, в том числе на дне океана, и установили, что у всех этих микроорганизмов есть определенная группа ферментов, в состав которой входит СО-дегидрогеназа. А в одном из геномов увидели аналогичную группу, но с формиатдегидрогеназой. И действительно, удалось выделить микробов, растущих за счет анаэробного превращения муравьиной кислоты в углекислоту и водород, хотя раньше считалось, что эта реакция не может обеспечивать рост микроорганизмов. Это интересно еще и потому, что в природе в определенных условиях муравьиная кислота может образовываться абиогенным путем, то есть микроорганизмы могут расти независимо от существующей биосферы, представляя собой возможных первичных обитателей древней Земли. 

Кто такие экстремофилы и чем интересны термофилы 

Наш отдел занимается исследованием экстремофильных микроорганизмов. Они живут в условиях, непригодных для обитания других существ: при очень высоких или низких температурах, при высокой солености, при очень высокой или низкой кислотности. Считается, что термофилы — это наиболее древние организмы и общий предок LUCA с большой вероятностью был термофилом.

Мы изучаем термофилов, обитающих в горячих источниках Камчатки, в содовых озерах, в глубоководных морских гидротермах — черных курильщиках — и в подземных шахтах. Там очень много восстановленных неорганических соединений, которые могут служить источником энергии для микроорганизмов, и в первую очередь это водород и сероводород. Водород может использоваться метаногенными археями для восстановления углекислоты, в результате чего образуется метан. Другие микроорганизмы — и археи, и бактерии — могут использовать водород для восстановления сульфата или серы, в результате чего образуется сероводород. Есть микроорганизмы, которые могут использовать серу и как донора электрона, и как акцептор: одну молекулу окислять, а другую восстанавливать. Источником углерода при этом является углекислый газ.
Существование таких микроорганизмов в горячих источниках позволяет рассматривать их как современные аналоги первичных экосистем Земли, с которыми их объединяют высокая температура, бескислородные условия, присутствие неорганических субстратов вулканического происхождения. Соответственно, можно предположить, что первые микроорганизмы были термофилами, анаэробами и хемолитоавтотрофами. Если же размышлять о жизни на других планетах, то можно предположить существование именно таких микробных сообществ, которые развиваются не на поверхности, а в глубине, где они надежно защищены от воздействия жесткого ультрафиолетового излучения. Наиболее вероятными источниками энергии и окислителем являются водород и углекислота. В таком случае продуктом жизнедеятельности микроорганизмов может быть метан или уксусная кислота. Согласно последним данным, на Марсе обнаружили сезонные колебания метана, а это может быть признаком его биогенного происхождения. 

Источник: ПостНаука