Арктические бактерии используют путь метаболизма ацетона для поглощения углекислого газа

Согласно публикации на nature.com, бактерия, обнаруженная в поверхностных водах Северного Ледовитого океана, по-видимому, использует ацетон как часть пути усвоения углерода, который также включает углекислый газ. Это открытие выявляет необычную форму карбоксилирования у морской фотогетеротрофной популяции и позволяет предположить, что данный процесс может помочь организму расширить запас материала для роста.

Этот путь был выявлен в метагеномных образцах, собранных в ходе обследования Северного Ледовитого океана с севера на юг. Исследователи связали задействованные гены с одной популяцией гаммапротеобактерий — Porticoccus arcticus. Организм обнаруживали не единожды: его генетические последовательности неоднократно выявлялись в многолетнем исследовании на основе 16S рибосомной РНК, а в некоторых образцах на них приходилось до 9% измеренной популяции.

Такое регулярное присутствие указывает на устойчивую роль P. arcticus в арктических морских экосистемах, а не на случайное появление в исследованных водах. В рамках исследования также изучались метатранскриптомы, позволяющие определить, какие гены активны в природных сообществах. В этих данных гены ацетонкарбоксилазы и несколько родопсинов входили в число наиболее активно экспрессируемых генов P. arcticus в бедных питательными веществами поверхностных водах Арктики.

Иное применение карбоксилирования

Карбоксилазы — это ферменты, которые помогают присоединять неорганический углерод, в том числе углекислый газ, к другим молекулам. Эта химическая реакция широко ассоциируется с автотрофными организмами, использующими углекислый газ для создания органических соединений. Новая работа расширяет это представление, приводя свидетельства того, что карбоксилаза может участвовать в расщеплении и усвоении органического соединения — в данном случае ацетона.

Поэтому предложенный путь описывается не просто как обычная фиксация углерода. Он сочетает расщепление ацетона с включением углекислого газа. Для бактерии, живущей в олиготрофных водах с ограниченным количеством доступных питательных веществ, такое сочетание может дать дополнительный способ вырабатывать молекулярные строительные блоки, необходимые её клеткам. Согласно выводу исследования, карбоксилирование ацетона может повышать биосинтетические возможности фотогетеротрофных бактерий, дополняя метаболизм органического углерода неорганическим.

Доказательства основаны на распределении и активности генов, а не на прямой лабораторной демонстрации полного пути. Метагеномы показали, что P. arcticus обладает соответствующим генетическим аппаратом, тогда как метатранскриптомы продемонстрировали высокую активность генов ацетонкарбоксилазы в исследованной природной среде. В совокупности эти наблюдения связывают данный путь с жизнедеятельностью бактерии в поверхностных водах Арктики.

Компактный геном и дополнительные гены светочувствительности

Геномная картина P. arcticus дополняет это открытие ещё одной особенностью. По сравнению с родственными организмами рода Porticoccus у неё более компактный, оптимизированный геном. Несмотря на сокращённый набор генов, бактерия сохраняет полный набор генов, необходимых для карбоксилирования ацетона.

В то же время бактерия приобрела несколько генов протеородопсинов в результате латерального переноса генов. В исследовании протеородопсины представлены как часть генетического инструментария организма, связанного со светом, а высокая экспрессия генов родопсинов в поверхностных водах ставит их в один ряд с карбоксилированием ацетона среди наиболее заметных процессов, происходящих там.

Это сочетание примечательно тем, что объединяет в одной популяции два признака: гены, позволяющие использовать связанные со светом родопсины, и путь, в рамках которого перерабатывается ацетон, а углекислый газ включается в метаболизм. Полученные данные не доказывают, что эти две системы работают как единая биохимическая последовательность, однако их высокая экспрессия в одной и той же арктической популяции подчёркивает своеобразие метаболического профиля организма.

Почему арктические данные важны

Повторное обнаружение P. arcticus в длительном ряду данных по 16S рРНК усиливает экологическую значимость результата. Путь, найденный лишь в изолированном фрагменте генома, дал бы ограниченные свидетельства его важности для океана. В данном случае организм стабильно присутствовал и временами был относительно многочислен в исследованных арктических морских сообществах.

Таким образом, исследование помещает карбоксилирование ацетона в более широкий контекст функционирования углеродного цикла океана. Карбоксилазы уже занимают центральное место в природе, поскольку опосредуют фиксацию углекислого газа. Свидетельства того, что морской фотогетеротроф может использовать одну из них при расщеплении ацетона, указывают на ещё один возможный путь поступления неорганического углерода в клеточный материал.

Как сообщает nature.com, эта работа выявляет у арктических бактерий метаболический модуль, который может помогать им выживать в олиготрофных поверхностных водах. Она также показывает, как геномные исследования, данные об экспрессии генов в окружающей среде и долгосрочные сведения о составе сообществ могут вместе раскрыть неожиданную форму переработки углерода в океане.