Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Забудьте про слово “неэффективность”!
Химический элемент азот является компонентом всех живых организмов. Он необходим для строительства белков и цепей ДНК. Несмотря на его изобилие на планете, запасы азота и его доступность являются факторами, ограничивающие рост большинства форм жизни. Бактерии и археи представляют собой единственные живые существа, способные фиксировать азот из воздуха. Это означает, что все молекулы азота в нашем теле (а также животных и растений) были “заготовлены” для нас бактериями и археями. Единственные биологические ферменты, способствующие этому процесс, называются нитрогеназа.
В природе существует три разновидности этого фермента, и их имена происходят от металлов, находящихся в их активном центре: молибден (Mo), ванадий (V), и железо (Fe). Чтобы превратить N2 в NH3, нитрогеназе потребуются молекулы азота из атмосферы и небольшое количество электронов. В процессе этой реакции также происходит производство вторичных продуктов, как например водорода H2. Из трех ферментов, Mo-нитрогеназа является наиболее древним ферментом, а два других произошли от него. В тоже время, Mo-нитрогеназа представляет собой фермент с наибольшей эффективностью фиксации азота, поскольку его химические реакции производят наименьшее количество вторичных продуктов. Если V- и Fe-нитрогеназа менее эффективны в своей работе, каков причина их эволюции и происхождения?
Катя Люксем и ее коллеги из университета Принстон в штате Нью-Джерси решили найти ответ на этот вопрос при помощи бактерии Rhodopseudomonas palustris. Эта бактерия содержит в себе гены для выработки всех трех ферментов, но, как показало исследование, этот микроорганизм использует Mo-нитрогеназу, как основной фермент для фиксации азота. Кроме того, исследователи протестировали три модифицированные бактерии этого же вида, каждая из которых содержала только один из ферментов нитрогеназы. Они обнаружили, что эффективность фиксации азота при помощи Мо-нитрогеназы зависела от доступного источника углерода. Использование фермента V-нитрогеназы продемонстрировало более быстрый рост на определенных питательных средах, а добавление ацетата показало еще более ускоренный рост даже по сравнению с “классической” Мо-нитрогеназой.
Модифицированная бактерия, растущая на питательной среде с добавлением ацетата и использующая только V-нитрогеназу, производила примерно одинаковое количество H2, как и бактерия, использующая Мо-нитрогеназу. Авторы подозревают, что такой результат связан с температурой, при которой был проведен эксперимент. Идея о том, что Mo-нитрогеназа является более эффективным ферментом, возникла в результате проведенных экспериментов при температуре +30°C. Однако, этот эксперимент был выполнен при +19°C, и похожие результаты снижения эффективности Mo-нитрогеназы при более низких температурах были зарегистрированы ранее. Можно сделать вывод, что появление V-нитрогеназы могло быть связано с изменениями температуры окружающей среды, в которой проживала бактерия.
Люксем с коллегами также продемонстрировали, что эффективность процесса фиксации азота зависит не только от нитрогеназы, но и от целого каскада ферментов и ко-факторов, обеспечивающие электроны и энергию для реакции. Используя методы протеомики, они обнаружили, что высокая активность фермента V-нитрогеназы из предыдущего эксперимента была поддержана определенной системой белков, отвечающие за доставку энергии. Бактерия, имеющая только Mo-нитрогеназу, содержала в себе другой биологический набор вспомогательных ферментов. Следовательно, эволюция различных форм нитрогеназ могла быть связана со взаимодействием нитрогеназ с другими белками.
Интересно заметить, что клетки бактерии R. palustris не компенсируют производительность менее эффективных нитрогеназ за счет затраты большего количества ресурсов на фиксацию азота. Помимо азота, R. palustris также может фиксировать углерод из углекислого газа (процесс, напоминающий фотосинтез). Для фиксации любого химического элемента, организму требуются электроны. Именно поэтому бактерия должна поддерживать баланс реакций фиксации каждого из элементов (стрелки E и F на изображении выше). В экспериментах, проведенных Люксем и ее коллегами, было показано, что в присутствии необходимого источника углерода, рост R. palustris все равно зависел от количества доступного азота. Могло бы показаться, что клетки бактерии будут перенаправлять бóльшее количество электронов в сторону реакций по фиксации азота. Однако, авторы сообщают о другом результате. Оказалось, что процент доступных электронов, используемых для фиксации азота, постоянно остается около 60%, в независимости от источника углерода или используемого фермента нитрогеназы. Такой результат был зарегистрирован и в экспериментах с Fe-нитрогеназой, которая фиксирует очень маленькое количество N2 и вырабатывает большое количество водорода. Авторы предполагают, что существуют некоторые пока неизвестные природные факторы, которые направлены против ликвидации реакций по фиксации углерода.
Получается, что “бесполезная” V-нитрогеназа никогда не исследовалась под другим углом, чтобы показать ее настоящую силу, а именно фиксацию азота при более низких температурах. Ученые смогли продемонстрировать читателям уникальную прелесть этого фермента, и со временем читатели обязательно оценят преимущество Fe-нитрогеназы!
Link to the original post: Carbon substrate re-orders relative growth of a bacterium using Mo-, V-, or Fe-nitrogenase for nitrogen fixation Katja E. Luxem, Anne M. L. Kraepiel, Lichun Zhang, Jacob R. Waldbauer, Xinning Zhang
Featured image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nitrogen_Cycle_1.svg
Written by Steven Pilon
micro-bites.org 
