Доказав теорию, которая была впервые предложена почти 40 лет назад, исследователи подтвердили новый способ сохранения энергии клетками.
Исследование, проведенное под руководством Уильяма Меткалфа, профессора молекулярной и клеточной биологии Дж. Уильяма Арендса и руководителя исследовательской темы Mining Microbial Genomes в Институте геномной биологии им. и дает ученым лучшее понимание того, как организмы сохраняют энергию и функционируют в рамках глобального углеродного цикла.
Все живые организмы нуждаются в сохранении энергии, чтобы двигаться, расти и размножаться. Клетки сохраняют энергию, создавая молекулу АТФ, и они обычно делают это, создавая химический градиент через клеточную мембрану, что дает им энергию для создания АТФ.
Есть несколько способов сделать этот градиент - растения используют световую энергию посредством фотосинтеза, а люди и животные используют химическую энергию. Эти методы были тщательно изучены, но в 1981 году ученый по имени Гарри Пек предложил другой метод сохранения энергии: процесс, называемый водородным циклом..
Водород может легко перемещаться через клеточные мембраны. Пек предположил, что водород в клетке может диффундировать наружу клетки, где ферменты снова захватят его и произведут ионы водорода, что создаст химический градиент, необходимый для сохранения энергии.
Теория подверглась широкой критике. Критики говорили, что клетке будет слишком сложно снова улавливать водород таким образом.
«Никто на самом деле в это не верил, - сказал Меткалф. «Большинство людей действительно относились к этому с большим скептицизмом».
Затем, восемь лет назад, Меткалф и его лаборатория изучали организмы, вырабатывающие метан, которые используют газообразный водород для роста. Эти организмы используют набор ферментов, называемых гидрогеназами, для создания и потребления водорода.
Меткалф и его лаборатория начали создавать мутанты этих гидрогеназ и обнаружили, что когда ген гидрогеназы был выключен, клетки умирали, но эти клетки также начинали производить большое количество водорода.
«Это привело нас к мысли, что наши клетки, производящие метан, на самом деле занимались водородным циклом», - сказал Меткалф. «Эта идея, выдвинутая Гарри Пеком в 80-х годах, в которую никто не верил, вероятно, была правдой».
Дальнейшие эксперименты показали, что клетки погибли, потому что потеряли способность повторно улавливать водород.
«Мы могли бы показать, что, когда вы теряете способность к его повторному захвату, клетки не только умирают, но и выделяют огромное количество водорода», - сказал Меткалф. «Это действительно первое экспериментальное свидетельство, которое убедительно показывает, что циклирование водорода является механизмом сохранения энергии».
После многих лет критики идея Пека оказалась верной - по крайней мере, для этих клеток, производящих метан. Однако Меткалф сказал, что круговорот водорода, вероятно, распространен среди других организмов.
"Гарри Пек не только был прав, но это, вероятно, происходит все время в природе", - сказал он. «И это было просто замаскировано тем фактом, что… во многих случаях мутации смертельны, поэтому у людей не было возможности доказать, что это произошло».
Это также было невозможно обнаружить, потому что у клеток есть резервный метод сохранения энергии, если они не могут совершать водородный цикл, что поддерживает их жизнь.
«Они предпочли бы использовать водородный цикл, но у них есть альтернативы», - сказал Меткалф. «Итак, по этим двум причинам этот интересный механизм сохранения энергии, который хотят делать все клетки, как бы прячется у всех на виду».
Меткалф сказал, что понимание этого механизма имеет решающее значение, потому что организмы, которые совершают водородный цикл, являются ключевыми участниками глобального углеродного цикла. Если ученые хотят понять баланс элементов и молекул в окружающей среде, им также необходимо понять основные механизмы.
«Это ключевой элемент сохранения энергии и, следовательно, того, как эти организмы адаптируются и растут», - сказал он. «Это заполняет пробел в знаниях о том, как функционируют эти организмы».