Ученые обнаружили бактерий, которые умеют окислять марганец и использовать энергию этой химической реакции для фиксации углекислого газа. Два вида бактерий в кокультуре превращали суспензию карбоната марганца в бляшки оксида марганца; в их транскриптоме нашли гены белков, которые могут осуществлять биохимические каскады хемосинтеза. Найденные микроорганизмы, считают авторы статьи в Nature, могут замыкать природные циклы марганца и влиять на круговорот других элементов.
Автотрофы — организмы, которые умеют фиксировать атмосферный углерод и синтезировать органические вещества из неорганических. Энергию для этого они берут либо из солнечного света и тогда называются фотоавтотрофами, либо из химических реакций неорганических веществ, тогда они — хемолитоавтотрофы.
Бактерии, которые используют для хемосинтеза соединения азота, серы и железа, известны уже более века. Известен также ряд микроорганизмов, которые окисляют марганец, но зачем они это делают, остается непонятным. Ученые предполагают, что из таких химических реакций микроорганизмы умеют получать энергию. Однако до сих пор это не удавалось подтвердить экспериментально, и хемоавтотрофы, растущие на марганцевых средах, не были найдены.
Джареду Ледбеттеру (Jared Leadbetter) из Калифорнийского технологического института повезло — он на несколько месяцев оставил в раковине грязную посуду с остатками карбоната марганца (II), залитую водой из под крана. Вернувшись в лабораторию, исследователь обнаружил, что вместо светлой суспензии карбоната колбы покрыты темным налетом — оксидом марганца. Ледбеттер предположил, что марганец окислили бактерии. С коллегой он перенес материал в среду со строго определенным составом, а в качестве контроля использовал аналогичные стерильные среды.
На стерильных чашках марганец не окислился даже через год, зато в среде с биологическим материалом уже через четыре месяца образовались темные оксиды марганца. Окисление требовало наличия кислорода и происходило при температуре до 42 градусов Цельсия, оптимально — при 34-40 градусах, что предполагает ферментативный характер катализа. Образование оксидов не происходило после добавления антибиотиков или пастеризации.
Ученые исследовали налет оксида марганца, который вырабатывали бактерии. Оказалось, что он состоит из бляшек диаметром 20-500 микрометров, темно-коричневых с темно-оранжевыми впячиваниями — в них и находилась большая часть бактерий.
Анализ рибосомной РНК показал, что в среде содержалось около 70 видов бактерий, однако после последовательного разбавления в растворе карбоната марганца выжило только два вида: один относится к типу Nitrospirae, а второй — к бета-протеобактериям. На момент написания статьи в отдельную культуру удалось выделить только второй вид, и он не мог в одиночку окислять марганец — значит, либо первый вид делает это самостоятельно, либо окисление марганца требует кооперации.
Количество окисленного марганца в кокультуре двух видов сначала возрастало экспоненциально, а затем замедлялось, и так же себя вела биомасса. Это соответствует представлениям о росте бактерий в культуре, а скорость роста колоний была сопоставима с таковой для известных хемолитотрофов.
Чтобы проверить, могут ли бактерии использовать энергию окисления марганца для фиксации углерода, исследователи вырастили их в культуре с меченым карбонатом марганца. В результате оба вида включили в себя тяжелый изотоп углерода — значит, что бактерии не просто умеют окислять марганец, но и используют энергию этой реакции для усвоения неорганического углерода, то есть являются автотрофами. С помощью анализа транскриптома ученые нашли активные гены белков, которые могли бы осуществлять биохимические каскады переноса электронов от внеклеточного марганца на кислород и автотрофную фиксацию углекислого газа.
Ученые рассчитали, что колония, выросшая из двух клеток (по одной каждого из двух видов), может за два года создать количество оксида, равное общему мировому запасу марганца. Найденные бактерии могут замыкать неизвестные до сих пор циклы марганца в природе, окисляя металл, который восстанавливают другие хемотрофы. Эти циклы, в свою очередь, могут взаимодействовать с круговоротом углерода, азота, водорода и кислорода.
Для хемосинтеза открытым бактериям необходим не только марганец, но и кислород, как и большинству современных автотрофов. Но до кислородной катастрофы, когда все организмы были анаэробами, приходилось обходиться без кислорода. Так действовали древнейшие найденные сероокисляющие бактерии, которых геологи обнаружили несколько лет назад.
Алиса Бахарева