Новости

Nov 06, 2023

Понимание «горячего» микроба, который может расти на азоте, производя при этом метан

22 ноября 2022 г. по

22 ноября 2022 г.

Общество Макса Планка

Ученые из Института морской микробиологии Макса Планка успешно усовершенствовали культивирование микроорганизма, способного фиксировать азот (N2), производя при этом метан (CH4) и аммиак (NH3), и исследовали интересные детали его метаболизма.

Углерод и азот являются важнейшими элементами жизни. Некоторые организмы занимают ключевые позиции в круговороте того и другого, в том числе Methanothermococcus thermolithotropicus. За сложным названием скрывается сложный микроб. M. thermolithotropicus – морской теплолюбивый метаноген.

Он обитает в океанских отложениях, от песчаных побережий и соленых болот до глубоководных вод, предпочтительно при температуре около 65 °C. Он способен превращать азот (N2) и углекислый газ (CO2) в аммиак (NH3) и метан (CH4) с помощью водорода (H2). Оба продукта, аммиак и метан, очень интересны для биотехнологических применений в производстве удобрений и биотоплива.

Тристану Вагнеру и Невене Маслач из Института морской микробиологии Макса Планка удалось вырастить этот микроб в ферментере — непростая задача.

«Очень сложно обеспечить идеальные условия для развития этого микроба, одновременно фиксируя N2 — высокие температуры, отсутствие кислорода и наблюдение за уровнем водорода и углекислого газа», — говорит Маслач, которая проводила исследование в рамках своей докторской диссертации. Д. проект. «Но, проявив некоторую изобретательность и настойчивость, нам удалось заставить их процветать в нашей лаборатории и достичь самой высокой плотности клеток, о которой сообщалось до сих пор».

Как только культуры были готовы к работе, ученые смогли подробно изучить физиологию микроба, а затем углубить свое исследование, изучая, как метаболизм микроба адаптируется к фиксации N2. «В тесном сотрудничестве с нашими коллегами Чандни Сидху и Ханно Тилингом мы объединили физиологические тесты и дифференциальную транскриптомику, что позволило нам глубже изучить метаболизм M. thermolithotropicus», — объясняет Маслач.

Метаболические способности M. thermolithotropicus озадачивают: эти микробы используют метаногенез, метаболизм, зародившийся на ранней бескислородной Земле, для получения клеточной энергии. По сравнению с людьми, которые используют кислород для преобразования глюкозы в углекислый газ, метаногены получают лишь очень ограниченное количество энергии в результате метаногенеза. Парадоксально, но фиксация азота требует гигантского количества энергии, которая их истощит.

«Они немного похожи на шмелей, которые теоретически слишком тяжелы, чтобы летать, но, тем не менее, очевидно, летают», — говорит старший автор Тристан Вагнер, руководитель группы исследования микробного метаболизма Макса Планка. «Несмотря на такое ограничение энергии, эти удивительные микробы даже оказались лучшими фиксаторами азота в некоторых средах».

Фермент, который организмы используют для фиксации азота, называется нитрогеназой. Большинству распространенных нитрогеназ для проведения реакции требуется молибден. Молибденнитрогеназа хорошо изучена у бактерий, живущих в симбионтах в корнях растений. Их нитрогеназа может ингибироваться вольфраматом.

Удивительно, но бременские ученые обнаружили, что M. thermolithotropicus не подвергается воздействию вольфрамата при росте на N2. «Наш микроб зависел только от молибдена для фиксации N2, и его не беспокоил вольфрамат, что предполагает адаптацию систем сбора металлов, что делает его еще более надежным для различных потенциальных применений», — говорит Маслач.

Азотфиксация, т.е. получение азота из N2, является основным процессом включения азота в биологический цикл. При производстве промышленных удобрений этот процесс осуществляется с помощью процесса Габера-Боша, который искусственно фиксирует азот для получения аммиака с водородом при высоких температурах и давлениях. Он используется для производства большей части мирового аммиака, важного удобрения для поддержания мирового сельского хозяйства.