В суровых условиях, таких как горячие источники, вулканические кратеры и глубоководные гидротермальные жерла, непригодные для жизни большинства форм жизни, процветают микроскопические организмы. Как? Все дело в том, как они заворачиваются.
Исследователи из Стэнфордского университета определили белок, который помогает этим организмам формировать защитную клеточную мембрану, связанную с липидами, что является ключом к выживанию в среде с чрезвычайно высокой кислотностью.
Ученым было известно, что эта группа микробов, называемая археями, окружена мембраной, состоящей из других химических компонентов, чем у бактерий, растений или животных. Они давно предполагали, что это может быть то, что обеспечивает защиту в экстремальных средах обитания. Команда прямо доказала эту идею, идентифицировав белок, который создает необычную структуру мембраны у видов Sulfolobus acidocaldarius.
Структуры мембран некоторых организмов сохранились в летописи окаменелостей и могут служить молекулярными окаменелостями или биомаркерами, оставляя намёки на то, что когда-то жило в окружающей среде. Обнаружение сохранившихся мембранных липидов, например, могло бы предположить, когда организм эволюционировал и как это могло быть обстоятельством его окружающей среды. Возможность показать, как создается эта защитная мембрана, может помочь исследователям понять другие молекулярные окаменелости в будущем, предлагая новые доказательства эволюции жизни на Земле. Результаты появились на неделе 3 декабря в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Наша модель состоит в том, что этот организм развил способность создавать эти мембраны, потому что он живет в среде, где меняется кислотность», - сказала соавтор Паула Веландер, доцент кафедры наук о системе Земля в Стэнфордской школе Земли., Энергетика и науки об окружающей среде (Стэнфордская Земля).«Это первый случай, когда мы фактически связали часть липидов с условиями окружающей среды у архей».
Редкая химия
Горячие источники, где встречается S. acidocaldarius, например, в Йеллоустонском национальном парке, температура которых превышает 200 градусов по Фаренгейту, могут испытывать колебания кислотности. Этот организм также встречается в вулканических кратерах, глубоководных гидротермальных жерлах и других кислых средах как с умеренными, так и с низкими температурами.
Веландер заинтересовался изучением этого микроба из-за его редкого химического состава, включая необычные липидные мембраны. В отличие от растений и грибов, архейные организмы не образуют защитных наружных стенок из целлюлозы, а их мембраны не содержат тех же химических веществ, что и бактерии. По ее словам, ученые изучали, как этот вид производит свою необычную мембрану, около 10 лет, прежде чем эксперименты прекратились в 2006 году.
«Я думаю, мы забываем, что некоторые вещи просто еще не были сделаны - я часто обнаруживал это с тех пор, как вошел в мир геобиологии», - сказал Веландер.«Существует так много вопросов, о которых нам просто нужны базовые знания, например: «Что это за белок, который это делает? Действительно ли эта мембранная структура делает то, о чем мы говорим?»
Из предыдущих исследований архей Веландер и ее команда знали, что организмы производят мембрану, содержащую кольцевую молекулу, называемую калдитолом. Группа считала, что эта молекула может лежать в основе способности вида выдерживать условия, в которых погибают другие организмы.
Чтобы выяснить это, они сначала изучили геном S. acidocaldarius и определили три гена, которые, вероятно, участвуют в производстве калдитола. Затем они мутировали эти гены один за другим, удаляя любые белки, которые они производили. Эксперименты выявили один ген, который при мутации производил S. acidocaldarius, в мембране которого отсутствовал кальцитол. Этот мутировавший организм мог расти при высоких температурах, но увядал в очень кислой среде, что позволяет предположить, что белок необходим как для создания необычной мембраны, так и для противостояния кислотности.
Работа была особенно сложной, потому что лаборатории Веландера пришлось воспроизвести те высокотемпературные, кислые условия, в которых процветают микробы. По ее словам, большинство инкубаторов в ее лаборатории могли достигать только температуры тела, поэтому ведущий автор Жируй Цзэн, научный сотрудник лаборатории Веландер, придумала, как сымитировать жилище организма с помощью специальной небольшой печи.
"Это было действительно круто", сказал Веландер. «Мы много экспериментировали, пытаясь понять химию».
Третья сфера жизни
Эта работа заключается не только в поиске одного белка, сказал Веландер. Ее исследование изучает липиды, обнаруженные в современных микробах, с целью понимания истории Земли, включая древние климатические события, массовые вымирания и эволюционные переходы. Но прежде чем ученые смогут интерпретировать эволюционные характеристики, им необходимо понять основы, например, как создаются новые липиды.
Археи иногда называют «третьей областью жизни», где одна область представляет собой бактерии, а другая представляет собой группу, включающую растения и животных, известных под общим названием эукариоты. Археи включают в себя некоторые из древнейших и наиболее распространенных форм жизни на планете, без которых экосистема разрушилась бы. Археи - это особенно аномальные микробы, которых сегодня путают с бактериями, а на следующий день сравнивают с растениями или животными из-за их уникальной молекулярной структуры.
Исследование особенно интересно, потому что классификация архей до сих пор обсуждается таксономистами. Они были отделены от доменов бактерий и эукариот только в последние два десятилетия, после разработки генетического секвенирования в 1970-х..
«Есть определенные особенности архей, например, липиды», - сказал Веландер. «Сейчас археи - это большая область исследований, потому что это другая область, которую мы хотим изучить и понять - и они действительно крутые».