«Темный» кислород. Открыто семейство бактерий, способных дышать под землей

Биологи Томского государственного университета при помощи генетических методов обнаружили участки генома, а затем смогли выделить ранее неизвестные бактерии класса Limnochordia. До сих пор был известен только один представитель лимнохоронды, найденный японскими учеными в озере. Новые микроорганизмы микробиологи ТГУ выделили из проб, взятых в глубинных скважинах минеральной воды в Чажемто и Белокурихе. Особенностью этих бактерий является универсальность дыхания: они могут дышать «темным» кислородом, серой, а также перестраиваться на анаэробный тип получения энергии. Статья об открытии ученых ТГУ опубликована в журнале Frontiers in Microbiology (Q1).

"Особенностью бактерий, которых нам удалось найти и выделить, является кислородное дыхание под землей на большой глубине, – объясняет заведующая кафедрой физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Биологического института ТГУ Ольга Карначук. – Долгое время считалось, что на глубине двух-трех километров не может быть кислорода, поскольку там нет света и нет фотосинтеза, дающего О₂. Но около 10 лет назад был открыт так называемый «темный» кислород, производимый микроорганизмами без участия растений. Как выяснилось, наши бактерии могут дышать именно им".

Два новых рода бактерий, представляющих новое семейство, ученые нашли при помощи метагеномного анализа. Из проб подземной воды, взятой из скважины в селе Чажемто Томской области, была получена геномная информация о подземных обитателях. Анализ, проведенный биоинформатиками ФИЦ Биотехнологии РАН, показал, что в сообществе присутствует неизвестный микроорганизм, у которого есть маркер кислородного дыхания, и что находка с высокой долей вероятности принадлежит к классу Limnochordia. Однако доля этого микроба в сообществе составляла всего 0,37%.

"Когда геном был собран, мы поставили задачу выделить бактерии. Они начали расти на кислороде, – рассказывает Ольга Карначук. – Затем мы выяснили, что эта бактерия может «дышать» серой, а также перестраиваться на анаэробный тип дыхания, когда для получения энергии бактерии используют органические соединения, образуемые другими организмами. Геохорды, так назвали новое семейство (от греч. гео – Земля), могут также питаться водородом и угарным газом, образующимися в горячих глубинах Земли. То есть бактерии обладают большой вариативностью и могут подстраиваться под разную среду обитания. Такая «всеядность» помогает существовать где угодно. «Молекулярные подписи» геохорд находят и в разных отходах сельского хозяйства, и в месторождениях, где горящий уголь образует угарный газ.

Ольга Карначук

По словам ученых, скорее всего, у выявленных бактерий есть биотехнологическое значение. На оболочке клеток обнаружены нити, которые, возможно, могут передавать электроны, выполняя роль «нанопроводов». Это позволит использовать бактерии при создании микробных топливных элементов – альтернативного источника энергии. В таких топливных элементах можно использовать компост и отходы для генерации электричества, одновременно решая проблему утилизации мусора.

Добавим, что на счету ученых кафедры физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики БИ ТГУ – целый ряд открытий, касающихся новых микроорганизмов. Именно им удалось обнаружить и культивировать в лаборатории бактерию, за которой долго «гонялись» исследователи всего мира. Статья об этом представителе подземной биосферы была опубликована в журнале ISME издательской группы Nature.

Но, несмотря на то, что исследователи разных стран изучают микромир с помощью новых технологий, сегодня известна лишь малая часть – не более пяти процентов микроорганизмов, населяющих планету. Поэтому поиск, изучение и описание новых микроорганизмов является одной из наиболее актуальных задач микробиологии.

Эти работы поддерживаются в России на уровне государства. Сейчас сотрудники кафедры физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики БИ ТГУ при поддержке гранта РНФ реализуют проект «Культивирование, характеристика физиологии и геохимической активности трудно культивируемых экстремофильных бактерий» (№ 24-14-00396).

"Почему нам недостаточно прочитать геном бактерии, а нужно выделить ее в чистую культуру? Потому что в международных базах данных растет количество белков функции, которых мы не знаем. Эти гены называют гипотетическими белками, – уточняет Ольга Карначук. – Пытаться изучить их с помощью методов биоинформатики крайне сложно. Чтобы получить максимум информации о микроорганизме, нужно, что называется, подержать его в руках. В таком случае мы сможем выяснить, каковы функции того или иного белка и какую пользу он может принести человеку".

Фото пресс-службы ТГУ. Фото бактерий предоставлены О.В. Карначук