Модульний метаболізм може пояснити успіх певних сульфатредукуючих бактерій . Дослідники вивчали представників бактеріальної родини, які є високоактивними в анаеробних осадах. Усі досліджені види мають однакові основні метаболічні елементи. Залежно від виду, до них додаються додаткові білки для використання певних органічних речовин. Отримані результати можуть сприяти кращому розумінню ролі сульфатредукуючих мікробів у глобальному циклі вуглецю та їхнього значення для клімату.
У районах Землі з низьким вмістом кисню, особливо на океанічному дні, так звані сульфатредукуючі бактерії розщеплюють значну частину органічного вуглецю. Серед цих важливих мікробів виділяється родина Desulfobacteraceae, оскільки її представники здатні розкладати багато різних і іноді важкорозкладних сполук на кінцевий продукт – вуглекислий газ (CO2). Нове дослідження, проведене дослідниками під керівництвом доктора Ларса Вельбранда та професора доктора Ральфа Рабуса з Ольденбурзького університету, всебічно дослідило роль цих мікробів.
Команда дослідників повідомляє в журналі Science Advances, що ці бактерії широко поширені в усьому світі та характеризуються складним метаболізмом, що нагадує модульну систему: усі досліджені види мають однакові основні елементи у своєму метаболізмі, такі як ті, що відповідають за виробництво енергії. Залежно від виду, додаються додаткові спеціалізовані білки для використання певних органічних речовин, тобто так звані транспортні білки для доставки речовин у клітину та ферменти для їх розщеплення. За словами дослідників, ця модульна система пояснює, по-перше, чому група особливо успішна. По-друге, робота надає нові аналітичні інструменти для кращого розуміння ролі сульфатредукуючих мікробів у глобальному вуглецевому циклі та, отже, їхнього значення для клімату.
«Сульфатредукуючі бактерії живуть на термодинамічній межі», – пояснює Рабус, який очолює дослідницьку групу загальної та молекулярної мікробіології в Ольденбурзькому інституті хімії та біології морського середовища (ICBM). Ці бактерії використовують сульфат замість кисню для дихання. Розкладаючи органічні речовини, що служать їм їжею, вони отримують лише частину енергії, яку можуть отримати аеробно живучі бактерії. Дивно, але вони, тим не менш, неймовірно активні та роблять значний внесок у розкладання органічного матеріалу на морському дні. «За оцінками, сульфатредукуючі бактерії в прибережних водах та шельфових районах, де відкладається особливо велика кількість органічного матеріалу, здійснюють більше половини розкладання на морському дні», – наголошує Рабус. Домінуючі члени бактеріальної спільноти часто є частиною родини Desulfobacteraceae . Активність цих мікробів чітко видно, наприклад, у Ваттовому морі , де осад не містить кисню лише за кілька міліметрів під поверхнею. «В результаті утворюється сірководень з неприємним запахом і створюються характерні осади чорного сульфіду заліза», – каже Рабус.
Роль, яку відіграють представники родини Desulfobacteraceae у глобальному масштабі в деградації органічного матеріалу, та молекулярні інструменти, які вони використовують для цієї мети, досі були погано вивчені. Щоб отримати точніший огляд, команда спочатку дослідила, наскільки поширені ці сульфатредукуючі бактерії. Огляд літератури показав, що вони зустрічаються по всьому світу та зустрічаються у всіх морських регіонах між Арктикою та Антарктикою – як і очікувалося, переважно в умовах низького або безкисневого вмісту кисню.
На наступному етапі дослідники культивували шість дуже різних штамів цієї родини. «Деякі з них є спеціалістами, які розщеплюють лише певні сполуки, тоді як інші можуть використовувати дуже широкий спектр речовин. Деякі маленькі та сферичні, інші видовжені або навіть ниткоподібні», – повідомляє провідний автор дослідження Ларс Вельбранд. Щоб розшифрувати їхній метаболізм, дослідники годували мікроби 35 різними речовинами, починаючи від простих продуктів ферментації і закінчуючи довголанцюговими жирними кислотами та стійкими ароматичними сполуками. Загалом вони застосували 80 різних умов тестування. Потім вони досліджували, які гени активуються під час розщеплення цих речовин і які білки мікроби використовують для цієї мети. Результати показали, що різні види використовують дуже схожі молекулярні інструменти для розщеплення цих речовин. Усі шість досліджених видів також використовують один і той самий, особливо енергоефективний шлях для свого центрального метаболізму.
Дослідники дійшли висновку, що Desulfobacteraceae діють як команда і тому здатні розщеплювати великий пул різноманітних вихідних матеріалів за дуже різних геохімічних умов і в різних географічних місцях. «Немає одного домінуючого ключового виду», – наголошує Рабус. Швидше, бактерії функціонують як спільнота, подібно до футбольної команди: «У кожної команди є воротар і нападник, але кожна команда також робить речі по-своєму», – пояснює Вельбранд. Ця гнучкість, можливо, пояснює, чому Desulfobacteraceae є одними з найпоширеніших сульфатредуцентів у світі.
Потім вчені разом із професором доктором Міхаелем Шлотером з Мюнхенського технічного університету досліджували, чи можна виявити генетичні схеми певних ключових модулів метаболічної мережі у зразках осаду. Вони справді виявили вибрані гени практично у всіх досліджених зразках, які походили з морських районів, від мілководдя до глибокого моря, і включали, наприклад, багаті на поживні речовини річкові естуарії, гарячі та холодні глибоководні жерла та осади бідного на кисень Чорного моря.
За словами команди, аналіз підкреслює, по-перше, важливість Desulfobacteraceae для деградації вуглецю. По-друге, дослідники демонструють, що досліджувані гени можуть бути використані як аналітичні інструменти для безпосереднього дослідження мікробної активності на морському дні. «Важливість сульфатредуцентів для вуглецевого циклу, ймовірно, досі недооцінювалася», — каже геофізик професор доктор Міхаель Вінкльхофер з Ольденбурзького інституту біології та наук про навколишнє середовище, який брав участь в аналізі. Внесок мікробів у деградацію вуглецю в прибережних районах може навіть зрости в майбутньому, оскільки вміст кисню в океанах знижується приблизно з 1960 року через евтрофікацію та глобальне потепління.
Оригінальна публікація
«Ключова роль Desulfobacteraceae у C/S-циклах морських осадів базується на конгенерних катаболічно-регуляторних мережах», Science Advances (2025), doi: 10.1126/sciadv.ads5631
також читати
Легші електромобілі та зелений водень завдяки бактеріям | Pugnalom
