Как дышали первобытные микробы без кислорода — наука нашла ответ

Группа ученых из Франкфуртского университета имени Гете, Марбургского университета и Стокгольмского университета раскрыла древний механизм клеточного дыхания, обнаруженный у бактерий, питающихся углекислым газом и водородом и превращающих их в уксусную кислоту. Этот метаболический путь возник на ранней Земле, когда атмосфера еще не содержала кислорода. Интересно, что такие микроорганизмы одновременно удаляют CO₂ из своей среды, что делает их потенциальными союзниками в борьбе с изменением климата. Результаты были опубликованы в Nature Communications.

Обычно животные и растения используют кислород для «сжигания» сахаров с образованием энергии (АТФ). Но в условиях, когда кислород отсутствует, бактерии «вдыхают» углекислый газ и водород, превращая их в уксусную кислоту. Вопрос заключался в том, как этот процесс способствует выработке АТФ. Исследователи выяснили, что образование уксусной кислоты активирует механизм переноса ионов натрия через клеточную мембрану.

Сначала комплекс белков Rnf, встроенный в мембрану бактериальной клетки, «выкачивает» ионы натрия наружу, снижая их концентрацию внутри. Когда клеточная оболочка «отпускает» эти ионы, они возвращаются, приводя в движение молекулярную турбину, которая генерирует энергию в виде АТФ.

«Мы смогли показать, что само производство уксусной кислоты активирует сложный механизм, в рамках которого ионы натрия выкачиваются из бактериальной клетки в окружающую среду», — объясняет Фолькер Мюллер, заведующий кафедрой молекулярной микробиологии и биоэнергетики, а также соавтор исследования

Для изучения структуры комплекса Rnf ученые использовали метод криоэлектронной микроскопии, который позволяет «заморозить» образцы и наблюдать их в натуральном состоянии. Структурный биолог Анудж Кумар создал 3D-модель, которая показывает, что части этого белкового комплекса постоянно двигаются, как шестеренки в машине, чтобы передавать электроны и ионы. Компьютерное моделирование, проведенное в Стокгольмском университете, показало, что центральный участок комплекса, состоящий из железа и серы, после захвата электрона становится как отрицательный магнит, который притягивает положительно заряженные ионы натрия.

«Положительно заряженные ионы натрия изнутри клетки притягиваются к этому кластеру, как к магниту», — говорит докторант Дженнифер Рот.

Эти открытия не только помогают лучше понять эволюцию клеточного дыхания, но и открывают новые возможности для практического применения. Например, микроорганизмы, которые во время производства уксусной кислоты поглощают CO₂, могут быть использованы для снижения выбросов парниковых газов в промышленности. 

Кроме того, понимание этого процесса может способствовать разработке новых методов лечения заболеваний, связанных с нарушениями клеточного дыхания, таких как митохондриальные болезни, нейродегенеративные расстройства (например, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера) и сердечная недостаточность.