Новое исследование дает фундаментальное понимание диверсификации малых молекул, называемых дыхательными хинонами, и ее адаптивных последствий у видов бактерий. Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего специально изучили, как на дыхание влияют различные типы хинонов, присутствующих в бактериях, растущих в аэробной среде.
Команда под руководством Бернхарда Палссона, профессора биоинженерии Галлетти в Калифорнийском университете в Сан-Диего, и Амитеша Ананда, постдокторского исследователя в лаборатории Палссона, опубликовала свои выводы 25 ноября в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).).
Процесс дыхания зависит от различных типов локализованных в мембране окислительно-восстановительных малых молекул, известных как дыхательные хиноны. Один тип, убихинон, используется современными формами жизни для аэробного дыхания. Исторически его появление совпадает с появлением кислорода на земле. Другой тип, нафтохинон, в основном использовался древними организмами (существовавшими примерно 2,5 миллиарда лет назад, когда на Земле было мало или совсем не было кислорода) для анаэробного дыхания..
Эта хинонная диверсификация перекрывается с насыщением кислородом окружающей среды Земли и, следовательно, считается адаптивной реакцией на повышение уровня кислорода. Однако большое количество видов бактерий по-прежнему дышит аэробно, используя древний респираторный хинон, нафтохинон.
Е. coli и несколько других видов бактерий приобрели способность продуцировать убихинон, сохранив при этом пути производства нафтохинона. Интересно, что эти виды бактерий используют убихинон для аэробного дыхания и нафтохинон для анаэробного дыхания. Виды бактерий, лишенные убихинона, такие как Staphylococcus aureus и Mycobacterium tuberculosis, могут эффективно дышать аэробно, используя нафтохинон.
Чтобы изучить метаболические ограничения аэробного использования нафтохинона у видов бактерий, способных производить оба типа респираторных хинонов, исследователи создали штамм E. coli с дефицитом убихинона, чтобы заставить его дышать аэробно, используя древний респираторный хинон. Затем они провели адаптивную лабораторную эволюцию этого штамма, чтобы понять метаболические проблемы, с которыми сталкиваются виды бактерий при использовании древнего хинона в аэробных условиях. Цель состояла в том, чтобы воссоздать условия во время быстрого повышения уровня кислорода в земной атмосфере, события, обычно называемого Великим событием оксигенации.
Штаммы кишечной палочки, эволюционировавшие для аэробного дыхания с использованием нафтохинона, активировали часть систем клеточной защиты, которые в первую очередь отвечают за смягчение окислительного стресса в периплазматическом пространстве. Относительно более низкий окислительно-восстановительный потенциал нафтохинона делает его более склонным к непродуктивной утечке электронов во время работы цепи переноса электронов при дыхании, что может привести к образованию реактивных радикалов и вызвать повреждение клетки.
Активируя защитный механизм, бактерии испытали более безопасную работу цепи переноса электронов и показали улучшение потребления кислорода. Однако активация этого защитного механизма требовала от бактерий перераспределения ограниченных клеточных ресурсов. Это ограничивало способность к росту эволюционировавших штаммов. Исследователи предполагают, что этот так называемый компромисс «страх-жадность» привел к появлению хинона с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом.
Понимание этого компромисса между страхом и жадностью не только продвигает базовое понимание эволюции микробной биоэнергетики, но и может способствовать модуляции роста и выживания бактерий, особенно широкого спектра патогенных бактерий, которые дышат аэробно с использованием нафтохинона, говорят исследователи.