|
Биологи обнаружили микробов, замедляющих глобальное потепление
|
Мириады населяющих морские осадочные отложения бактерий оказались способны выделять молекулы, которые стимулируют рост облаков и охлаждение климата.
Узнаваемый запах моря частично связан с присутствием диметилсульфида (ДМС) — важного элемента метаболизма многих жителей планктона. Эти молекулы образуются при разложении диметилсульфонопропионата (ДМСФ), с помощью которого морские организмы регулируют осмотическое давление внутри своих клеток. Слабый запах ДМС сопровождает скопления планктона, привлекая к нему животных.
На воздухе ДМС быстро окисляется до небольших, содержащих серу молекул, а те — благодаря волнам и ветру — легко переходят в аэрозоль. Их мелкие частички служат центрами конденсации, усиливая образование облаков и способствуя понижению температуры. Впрочем, авторы новой статьи, опубликованной в журнале Nature Microbiology, считают, что мы сильно недооцениваем влияние этой «полезной» молекулы на климат Земли.
Считается, что производителями ДМСФ и ДМС выступают лишь планктонные водоросли, выдающие около 6,6 миллиарда тонн в год. Однако Джонатан Тодд (Jonathan Todd) и его коллеги обнаружили, что источниками ДМС могут служить и бактерии, живущие в прибрежных и придонных осадочных породах. Действительно, в проанализированных учеными пробах содержание ДМСФ оказалось в тысячи раз выше, чем в морской воде.
По их оценкам, каждый грамм такой придонной «грязи» может содержать сотни миллионов производящих ДМСФ бактерий. Это означает, что существующие подсчеты глобального оборота ДМСФ и ДМС сильно — возможно, на порядки — занижены, а с ними приуменьшено влияние, которое оказывают они на климат.
Бактерии помогают растениям качать воду
Микробы-симбионты заставляют активнее работать ионные насосы в корнях.
Почвенные микробы помогают растениям усваивать питательные вещества и приспосабливаться к возможным неблагоприятным условиям. Исследователи из Туринского университета вместе с коллегами из Университета Милана и Научно-технологического университета имени короля Абдаллы описывают в статье в Environmental Microbiology, что именно делают бактерии, помогая растениям выжить в засуху.
Есть несколько механизмов, которые двигают воду от корней к листьям. С одной стороны, это транспирация, то есть испарение воды самими листьями: испаряя воду, растение подтягивает ее снизу. С другой стороны, у самих корней есть специальные механизмы, которые заставляют воду входить в корневые клетки.
В растительных клетках есть внутренние обширные полости-вакуоли, заполненные клеточным соком. В мембране, которая ограждает вакуоль, сидят разные белки, обеспечивающие транспорт тех или иных молекул из цитоплазмы в вакуоль и обратно. Одни из таких белков – это протонные насосы: они закачивают в вакуоль протоны, то есть ионы водорода. По мере того, как их концентрация в вакуоли растет, в нее начинает поступать вода из цитоплазмы, а в саму цитоплазму – из внешней среды.
Авторы работы экспериментировали со стручковым перцем, который очень чувствителен к засухе, и двумя видами бактерий, Bacillus subtilis и Paenibacillus illinoinensis, которые живут прямо в растительных тканях и стимулируют рост растения.
Перец растили либо в нормальных условиях, либо ограничивая его в воде. Если перцу не хватало воды, он рос плохо, но если ему в засуху давали бактерии, он активнее фотосинтезировал и его корни лучше развивались. Оказалось, что благодаря бактериям у перца в корнях сильнее работали протонные насосы, которые помогают закачивать воду в вакуоли.
Значит, если мы хотим увеличить засухоустойчивость какого-нибудь растения, то мы можем обойтись без генетических модификаций, по крайней мере, в некоторых случаях – достаточно узнать, какие бактерии помогают растению качать воду, и дать ему их.
Как бактерий научили делать электрические провода
Бактерии рода геобактер (Geobacter) способны производить органические нанопроводники — белковые нити, которые позволяют микроорганизму устанавливать электрические соединения с оксидами железа и таким образом употреблять их в пищу. Электроэнергия, вырабатываемая геобактерами, достаточна для выживания микроба, однако ток слишком слаб для использования человеком.
Ученые модифицировали ДНК и заменили две присутствующие в белковых нанопроводниках аминокислоты на триптофан, свойства которого подходят для транспортировки электронов. В результате электрическая проводимость нитей повысилась в две тысячи раз, и они оказались тоньше человеческого волоса в 60 тысяч раз — всего 1,5 нанометра.
По словам исследователей, бактерии с измененной ДНК могут применяться в медицинских устройствах, контролирующих частоту сердечных сокращений или функции почек. Также возможным станет создание высокочувствительных приборов для обнаружения загрязняющих, отравляющих или взрывчатых веществ.
В будущем бактерии станут новым источником чистой электроэнергии
На протяжении нескольких лет ученые пытались получить контроль над электричеством, производимым бактериями в процессе метаболизма, однако до сих пор его передача на электрод имела крайне низкий КПД. Ученым из нескольких НИИ, в том числе Университета Лунда, удалось существенно повысить эффективность передачи заряда.
Запрос на использование экологически чистой энергии в развивающихся странах стремительно растет, и в качестве одного из потенциальных энергоресурсов ученые предлагают использовать жизнедеятельность микроорганизмов. Электроны, продуцируемые в процессе жизнедеятельности бактерий, можно передать на электрод, и до тех пор, пока у них есть питательная среда, выработка энергии будет непрерывной.
Межклеточный трансфер электронов связан с электрическим током, который бактерия генерирует вне своей клетки. Сложность получения энергии из бактерий состоит в необходимости создания молекулы, способной пройти через клеточную мембрану. В ходе эксперимента ученых из Университета Лунда была создана искусственная молекула редокс-полимер (окислительно-восстановительный полимер), испытания которой проводились на бактерии кишечной палочки, как самой распространенной в организме животных и человека.
Результаты изысканий ученых полезны не только с точки зрения развития потенциала бактериальной энергетики, но и с точки зрения микробиологии. Ученые полагают, что бактерии используют межклеточную передачу электронов в качестве средств коммуникации с другими микроорганизмам и молекулами. «Понимание взаимодействия между колониями бактерий и различными молекулами с помощью электрического сигнала открывает нам широкие перспективы в изучении глобальных природных явлений. Уже сегодня высказываются предположения, что в основе многих геологических процессов лежит деятельность бактерий», - говорит участник исследования Ло Гортон.
В энергетике понимание процессов жизнедеятельности бактерий имеет практическое значение для многих направлений. Например, при создании биологического топлива или в технологиях микробных топливных элементов, а способность бактерий к фотосинтезу можно применить в производстве энергии подобно тому, как это делается с помощью солнечных панелей.
Бактерии из кишечника термитов ускорят производство биотоплива
Пшеничная солома — потенциальный источник биотоплива. Но прежде чем солому можно будет превратить в полезные продукты на биоперерабатывающих заводах, полимеры, из которых она состоит, необходимо разбить на строительные блоки. Ученые обнаружили, что микробы из кишечника определенных видов термитов расщепляют лигнин, особенно прочный полимер в соломе.
В соломе и другом высушенном растительном материале три основных полимера — целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин — вплетены в сложную трехмерную структуру. Первые два полимера представляют собой полисахариды, которые можно расщепить на сахара, а затем превратить в топливо в биореакторах. Лигнин, с другой стороны, представляет собой ароматический полимер, который можно преобразовать в полезные промышленные химические вещества. Ферменты грибов могут разлагать лигнин, который из трех полимеров разложить сложнее всего. Ученые ищут бактериальные ферменты, которые облегчат производство.
Исследователи изучили процесс, с помощью которого микробы древесных насекомых разлагают лигнин в пшеничной соломе, и выяснили, как они меняют этот материал.
Ученые добавили по 500 кишечников каждого из четырех высших видов термитов для разделения анаэробных биореакторов, а затем — пшеничную солому в качестве единственного источника углерода. Через 20 дней они сравнили состав переваренной соломы с необработанной. Выяснилось, что все микробиомы кишечника разлагают лигнин (до 37%), хотя они более эффективно расщепляют гемицеллюлозу (51%) и целлюлозу (41%). Лигнин, оставшийся в соломе, также изменился — некоторые из его субъединиц окислились.
Исследователи предположили, что эффективное разложение гемицеллюлоз микробами могло также увеличить разложение лигнина, сшитого с полисахаридами. В будущей работе ученые хотят выявить микроорганизмы, ферменты и пути разложения лигнина, ответственные за эти эффекты, которые могут найти применение на заводах по переработке лигноцеллюлозы.
Благодаря симбиозу с бактериями инфузории научились дышать нитратами
Биологи обнаружили уникальный пример симбиоза: бактерии, поселившиеся внутри одноклеточных инфузорий, позволяют тем использовать для дыхания нитраты вместо кислорода.
На глубине швейцарского Цугского озера биологи обнаружили пример необычного симбиоза эукариотических и бактериальных клеток. Их союз напоминает события незапамятного прошлого, в результате которых эукариоты получили органеллы, вырабатывающие энергию за счет кислородного дыхания, митохондрии. Однако в этом случае бактерия позволяет своим «хозяевам» дышать не кислородом, а нитратами. Йон Граф (Jon Graf) и его коллеги назвали ее Candidatus Azoamicus ciliaticola — «азотный помощник, живущий в инфузориях». Ученые описывают эти необычные межвидовые отношения в статье, опубликованной в журнале Nature.
Вода Цугского озера в предгорьях Альп почти неподвижна и резко стратифицирована. На большой глубине кислорода в ней практически не остается, и местные организмы полагаются на другие соединения. Ученые проанализировали их ДНК, которые удалось обнаружить в образце, забранной с глубины 190 метров. Среди них идентифицировали вид бактерий, имеющий все гены, необходимые для синтеза денитрифицирующих белков. Денитрификация — способ бескислородного (анаэробного) дыхания, в процессе которого нитраты восстанавливаются до нитритов.
При этом остальных генов у странных микробов явно недоставало, и трудно было бы представить, как они смогли бы выжить. Скромные размеры их ДНК напоминали о геномах паразитических или симбиотических организмов. Поэтому биологи начали поиск этих хозяев. Ими оказались реснитчатые инфузории-плагиопилиды: по словам ученых, в этих крупных эукариотических клетках бактерии играют ту же роль, что и митохондрии, вырабатывая энергию в форме молекул АТФ и получая взамен все, что необходимо для жизни. Сохраниться в тех же условиях самостоятельно они бы не смогли.
Симбиоз бактерий с эукариотами далеко не новость. Тем не менее такой союз уникален. Крайне редко встречаются варианты, при которых прокариоты напрямую снабжают хозяина готовыми молекулами АТФ: редко их геном деградирует до состояния, не позволяющего выживать вне чужой клетки, а уж пример с денитрифицирующим дыханием оказался вовсе уникальным. Стоит вспомнить, что подобный процесс, как считается, около 1,5 миллиарда лет назад привел к превращению симбиотических (аэробно дышавших) прокариотических клеток в митохондрии, навечно оставшихся в клетках хозяев.
