Корова может перерабатывать траву только в рубце с помощью миллиардов микроорганизмов. Целый зоопарк бактерий, архей и простейших работает там, как на конвейере: в первую очередь эти одноклеточные организмы расщепляют целлюлозу, полисахарид. Другие бактерии ферментируют высвобожденные сахара в жирные кислоты, спирты и газы, такие как водород и углекислый газ. Наконец, метаногенные археи превращают эти два газа в метан.
В среднем корова производит около 110 литров метана в день. Он ускользает изо рта путем размышления, но также снова смешивается с частично переваренной пищей. В результате содержание натрия в мякоти травы может колебаться в значительной степени (от 60 до 800 миллимолей хлорида натрия (NaCl) на литр).
Немецко-американская исследовательская группа обнаружила, как бактерии рубца адаптируются к таким экстремальным колебаниям содержания натрия: «Биоинформатический анализ генома бактерий рубца привел нашего американского коллегу Тима Хакманна к предположению, что некоторые бактерии рубца имеют два различные дыхательные контуры. Один из них работает с ионами натрия, а другой без них», - объясняет профессор Фолькер Мюллер с кафедры молекулярной микробиологии и биоэнергетики Университета Гёте. Именно поэтому Мюллер предложил своему докторанту-исследователю Мари Шельмерих изучить типичного представителя микробиома жвачных животных: бактерию Pseudobutyrivibrio ruminis.
Вместе со студенткой бакалавриата Юдит Дёниг и магистрантом Александром Кацывом Мари Шольмерих культивировала бактерию. Действительно, они смогли подтвердить оба дыхательных контура. Как сообщают исследователи в текущем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), переносчик электронов ферредоксин (Fd) восстанавливается при окислении сахара. Восстановленный ферредоксин управляет обоими дыхательными путями.
Один дыхательный контур содержит ферментный комплекс Fd:NAD+ оксидоредуктаза (комплекс Rnf). Он использует энергию для транспортировки ионов натрия из клетки. Когда они снова попадают в клетку, ионы натрия запускают АТФ-синтазу, так что АТФ вырабатывается. Этот дыхательный контур работает только в присутствии ионов натрия.
В отсутствие ионов натрия бактерия образует альтернативный дыхательный контур с другим ферментным комплексом: гидрогеназа Ech (синоним: Fd:H+ оксидоредуктаза) производит водород и выкачивает протоны из клетки. Если они снова попадают в клетку через вторую АТФ-синтазу, которая принимает протоны, но не ионы натрия, АТФ также вырабатывается.
«Это первая бактерия, у которой были подтверждены эти два простых, совершенно разных дыхательных контура, но наши биоинформационные анализы показывают, что они также обнаружены и у других бактерий», - объясняет Мари Шольмерих. «Поэтому кажется, что эта стратегия адаптации более распространена», - предполагает она.
Интересно, что оба ферментных комплекса (Rnf и Ech) были обнаружены и у древних с точки зрения эволюционной биологии бактерий. Исследовательская группа профессора Мюллера тщательно изучила их, но всегда находила только один из двух ферментных комплексов, а не оба вместе. «Сейчас мы собираемся использовать методы синтетической микробиологии для получения гибридов бактерий, содержащих оба комплекса, с целью оптимизации их для биотехнологических процессов. Таким образом, мы можем повысить содержание АТФ в клетках, что позволит производить продукты из более высокое качество», - объясняет профессор Мюллер. Намерение состоит в том, чтобы использовать дыхательные контуры для извлечения ценных веществ путем ферментации синтез-газа. Это предмет испытаний, проводимых в рамках проекта, спонсируемого Федеральным министерством образования и исследований.