Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Methanosarcina
Methanosarcina barkeri fusaro.gif
Methanosarcina barkeri fusaro
Научная классификация
Домен:
Археи
Королевство:
Euryarchaeota
Тип:
Euryarchaeota
Учебный класс:
Метаномикробия
Заказ:
Methanosarcinales
Семья:
Methanosarcinaceae
Род:
Methanosarcina
Биномиальное имя
Methanosarcina
Клюйвер и ван Ниль 1936
Разновидность

Methanosarcina - это род эвриархеотических архей , производящих метан . Эти одноклеточные организмы известны как анаэробные метаногены, которые производят метан, используя все три метаболических пути для метаногенеза . Они живут в разнообразных средах, где могут оставаться в безопасности от воздействия кислорода, будь то на поверхности земли, в грунтовых водах, в глубоководных жерлах и в пищеварительном тракте животных. Methanosarcina растут колониями.

Аминокислота пирролизин была впервые обнаружена у вида Methanosarcina , M. barkeri . Примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans , что позволяет предположить, что микроб или его предок могли сыграть решающую роль в эволюции жизни на Земле. Виды Methanosarcina также отличаются необычно большими геномами. M. acetivorans имеет самый крупный из известных геномов среди всех архей.

Согласно теории, опубликованной в 2014 году, Methanosarcina могла быть в значительной степени ответственна за крупнейшее событие вымирания в истории Земли - пермско-триасовое вымирание . Теория предполагает, что приобретение нового метаболического пути посредством переноса генов с последующим экспоненциальным воспроизводством позволило микробу быстро потреблять огромные отложения органического углерода в морских отложениях, что привело к резкому накоплению метана и углекислого газа в океанах и атмосфере Земли, что привело к гибели около 90% видов в мире. Эта теория могла бы лучше объяснить наблюдаемый уровень изотопов углерода в отложениях того периода, чем другие теории, такие как вулканическая активность.

Метаносарцина используется для очистки сточных вод с середины 1980-х годов. Исследователи искали способы использовать его в качестве альтернативного источника энергии. Штаммы Methanosarcina выращивали с одноклеточной морфологией ( Sowers et al. 1993 ) при 35 ° C в среде HS-бульона, содержащей 125 мМ метанола плюс 40 мМ ацетата натрия (среда HS-MA).

Обзор [ править ]

Methanosarcina может быть единственным известным анаэробным метаногеном, который производит метан с использованием всех трех известных метаболических путей для метаногенеза . Метаногенез имеет решающее значение для промышленности по переработке отходов, и метан, получаемый биологическим путем, также является важным альтернативным источником топлива. Большинство метаногенов производят метан из углекислого газа и газообразного водорода . Другие используют ацетат в ацетокластическом пути. В дополнение к этим двум путям, виды Methanosarcina могут также метаболизировать метилированные одноуглеродные соединения посредством метилотрофного метаногенеза. Такие одноуглеродные соединения включаютметиламины , метанол и метилтиолы . [1] Только виды Methanosarcina обладают всеми тремя известными путями метаногенеза и способны использовать не менее девяти метаногенных субстратов, включая ацетат.

Метаносарцины - самые разнообразные метаногены в мире с точки зрения экологии . Они встречаются в таких средах, как свалки, свалки, глубоководные жерла, глубокие подземные грунтовые воды и даже в кишечнике многих копытных , включая коров, овец, коз и оленей. [1] Метаносарцины также были обнаружены в пищеварительном тракте человека. [2] M. barkeri может выдерживать резкие колебания температуры и длительное время обходиться без воды. Он может потреблять различные соединения или выжить только за счет водорода и углекислого газа. [3] Он также может выжить в средах с низким pH , которые обычно опасны для жизни. [4]Отмечая его чрезвычайную универсальность, биолог Кевин Сауэрс предположил, что M. barkeri может выжить даже на Марсе. [3] Methanosarcina растут колониями и демонстрируют примитивную клеточную дифференцировку. [1]

В 2002 году исследователи из Университета штата Огайо обнаружили в M. barkeri аминокислоту пирролизин . [5] Более раннее исследование, проведенное группой исследователей, показало, что ген M. barkeri имеет янтарный кодон в рамке считывания (UAG), который не сигнализирует об окончании белка, как обычно ожидалось. Такое поведение предполагало возможность существования неизвестной аминокислоты, что было подтверждено в течение нескольких лет путем разрезания белка на пептиды и их секвенирования. Пирролизин был первой генетически кодируемой аминокислотой, обнаруженной с 1986 года, и 22-й в целом. [6] Впоследствии он был обнаружен в семействе Methanosarcinaceae.а также у одной бактерии Desulfitobacterium hafniense .

И M. acetivorans, и M. mazei имеют исключительно большие геномы . По состоянию на август 2008 г. M. acetivorans обладал наибольшим секвенированным геномом архей с 5 751 492 парами оснований . Геном M. mazei насчитывает 4 096 345 пар оснований. [1]

Мембраны клеток Methanosarcina состоят из относительно коротких липидов, в основном из углеводородов C25 и простых эфиров C20. Большинство других метаногенов содержат углеводороды C30 и смесь простых эфиров C20 и C40. [7] [8]

Роль в раннем развитии жизни на Земле [ править ]

В 2004 году две примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans и еще одного архея, Aeropyrum pernix . [9] Известные как протоглобины , эти глобины связываются с кислородом так же, как и гемоглобин. У M. acetivorans это позволяет удалить нежелательный кислород, который в противном случае был бы токсичным для этого анаэробного организма. Таким образом, протоглобины могли проложить путь для эволюции более поздних форм жизни, которые зависят от кислорода. [10] После Великого события оксигенации , когда в атмосфере Земли появился свободный кислород, способность обрабатывать кислород привела к широкому распространению радиации.жизни, и является одним из самых фундаментальных этапов эволюции форм жизни на Земле. [9]

Вдохновленная M. acetivorans , группа исследователей из Пенсильванского университета во главе с Джеймсом Дж. Ферри и Кристофером Хаусом в 2006 году предложила новую «термодинамическую теорию эволюции». Было замечено, что M. acetivorans превращает окись углерода в ацетат , ученые предположили, что Ранние «прото-клетки», прикрепленные к минералу, могли аналогичным образом использовать примитивные ферменты для выработки энергии при выделении ацетата. Таким образом, теория стремилась объединить "гетеротрофную" теорию ранней эволюции, в которой изначальный супПростые молекулы возникли в результате небиологических процессов и «хемоавтотрофной» теории, согласно которой самые ранние формы жизни создали самые простые молекулы. Авторы заметили, что, хотя «споры между теориями гетеротрофов и хемотрофов вращались вокруг фиксации углерода», на самом деле «эти пути сначала эволюционировали, чтобы производить энергию. Затем они эволюционировали, чтобы фиксировать углерод». [2] Далее ученые предложили механизмы, которые позволили бы связанной с минералами прото-клетке стать свободноживущей и для эволюции метаболизма ацетата в метан, используя те же энергетические пути. Они предположили, что M. acetivorans была одной из первых форм жизни на Земле, прямым потомком ранних прото-клеток. Исследование опубликовано вМолекулярная биология и эволюция в июне 2006 г. [2]

Недавно исследователи выдвинули гипотезу эволюции ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы с геномными данными Methanosarcina . [11] Ученые предполагают , что ацетаткиназа может быть уркиназой в суперсемействе основных белков, в которое входит актин . [12] Данные свидетельствуют о том, что ацетаткиназа эволюционировала в древнем галофильном геноме Methanosarcina в результате дупликации и дивергенции гена ацетил-коА-синтетазы . [11]

Роль в пермско-триасовом вымирании [ править ]

Была высказана гипотеза, что производство метана Methanosarcina могло быть одной из причин пермско-триасового вымирания . Подсчитано, что 70% панцирей погибло от закисления океана из-за перенаселенности Methanosarcina . [13] Исследование, проведенное китайскими и американскими исследователями, подтверждает эту гипотезу. Используя генетический анализ около 50 геномов Methanosarcina , команда пришла к выводу, что микроб, вероятно, приобрел способность эффективно потреблять ацетат с помощью ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы примерно 240 ± 41 миллиона лет назад [a]примерно во время вымирания 252 миллиона лет назад. [13] Гены этих ферментов могли быть получены от бактерий, разлагающих целлюлозу, посредством переноса генов . [14]

Ученые пришли к выводу , что эти новые гены, в сочетании с широко доступными органическими углеродными отложениями в океане и обильной поставкой никеля , [б] позволили Methanosarcina популяции резко увеличиться. По их теории, это привело к выбросу большого количества метана в виде отходов. [14] Затем часть метана была бы расщеплена на углекислый газ другими организмами. [15] Накопление этих двух газов привело бы к резкому снижению уровня кислорода в океане, а также к увеличению кислотности.. Климат земли одновременно испытает повышение температуры и значительное изменение климата в результате выброса этих парниковых газов в атмосферу. Возможно, накопление углекислого газа и метана в атмосфере в конечном итоге привело к выделению сероводорода , что еще больше усложнило жизнь на Земле. Выводы группы были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences в марте 2014 г. [13]

Сторонники микробной теории утверждают, что она лучше объясняет быстрое, но непрерывное повышение уровня изотопов углерода в отложениях периодических отложений, чем извержение вулкана, которое вызывает всплеск уровня углерода с последующим медленным снижением. [14] Теория микробов предполагает, что вулканическая активность играла иную роль - поставляя никель, который Methanosarcina требовался в качестве кофактора . Таким образом, теория микробов утверждает, что сибирская вулканическая активность была катализатором, но не главной причиной массового вымирания. [16]

Использование людьми [ править ]

В 1985 году компания Shimizu Construction разработала биореактор , в котором метаносарцина используется для очистки сточных вод с предприятий пищевой промышленности и бумажных фабрик. Вода подается в реактор, где микробы разрушают частицы отходов. Метан, производимый бактериями, затем используется для питания реактора, что делает его дешевым в эксплуатации. В ходе испытаний Methanosarcina снизила концентрацию отходов с 5 000–10 000 частей на миллион (ppm) до 80–100 ppm. Для завершения очищения требовалось дальнейшее лечение. [17] Согласно отчету журнала Chemistry and Industry за 1994 г. , биореакторы, использующие анаэробное сбраживание с помощью Methanothrix soehngenii илиМетаносарцина вырабатывала меньше побочных продуктов ила, чем аэробные аналоги. Реакторы с метаносарцином работают при температурах от 35 до 55 ° C и pH 6,5-7,5. [18]

Исследователи искали способы более широкого использования способности Methanosarcina производить метан в качестве альтернативного источника энергии. В декабре 2010 года исследователи из Университета Арканзаса успешно встроили ген в M. acetivorans, что позволило ему расщеплять сложные эфиры . Они утверждали, что это позволит более эффективно преобразовывать биомассу в метан для производства электроэнергии. [19] В 2011 году было показано, что большая часть метана, образующегося при разложении на свалках, поступает из M. barkeri.. Исследователи обнаружили, что микроб может выжить в средах с низким pH и потребляет кислоту, тем самым повышая pH и позволяя процветать более широкому кругу форм жизни. Они утверждали, что их открытия могут помочь ускорить исследования по использованию метана, генерируемого археями, в качестве альтернативного источника энергии. [4]

Примечания [ править ]

  1. ^ Это значение является приблизительной датой появления последнего общего предкаштаммов Methanosarcina , способных легко расти на ацетате.
  2. ^ Никель-тетрапиррольный кофермент, кофактор F430 , присутствует в метилкофермент М- редуктазе, который катализирует заключительную стадию высвобождения метана метаногенами.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Галаган, Дж. Э .; Nusbaum, C .; Рой, А .; Эндриззи, MG; MacDonald, P .; Fitzhugh, W .; Calvo, S .; Энгельс, Р .; Смирнов, С .; Атнор, Д .; Браун, А .; Allen, N .; Naylor, J .; Stange-Thomann, N .; Деареллано, К .; Johnson, R .; Linton, L .; McEwan, P .; McKernan, K .; Talamas, J .; Tirrell, A .; Ye, W .; Циммер, А .; Barber, RD; Cann, I .; Graham, DE; Grahame, DA; Гусс, AM; Hedderich, R .; Ингрэм-Смит, К. (2002). «Геном M. Acetivorans обнаруживает обширное метаболическое и физиологическое разнообразие» . Геномные исследования . 12 (4): 532–542. DOI : 10.1101 / gr.223902 . PMC  187521 . PMID  11932238.
  2. ^ a b c «Отрыгающие метаном насекомые вдохновляют новую теорию происхождения жизни на Земле». Space Daily . 15 мая 2006 г.
  3. ^ a b Майкл Ширбер (14 июля 2009 г.). «Разыскиваются: спокойные марсианские соседи по комнате». Space Daily .
  4. ^ a b «Исследователи идентифицируют микробов, ответственных за метан со свалок» (пресс-релиз). Государственный университет Северной Каролины - Роли. 6 апреля 2011 г.
  5. ^ "Научная тетрадь". Вашингтон Пост . 27 мая 2002 г. с. A09.
  6. ^ «Обнаружена новая аминокислота». Прикладная генетика . 22 (11). Июнь 2002 г.
  7. ^ Ян Керман. «Methanosarcina barkeri» . Проверено 9 апреля 2014 года .
  8. ^ Г.Д. Спротт; CJ Dicaire; Г. Б. Патель (1994). «Эфирные липиды Methanosarcina mazei и других видов Methanosarcina по сравнению с масс-спектрометрией с бомбардировкой быстрыми атомами». Канадский журнал микробиологии . 40 (10): 837–843. DOI : 10.1139 / m94-133 .
  9. ^ a b «Древнейшие предки гемоглобина предлагают ключи к разгадке древнейшей жизни, основанной на кислороде» (пресс-релиз). Национальный научный фонд. 20 апреля 2004 г.
  10. ^ "Ученые находят примитивные гемоглобины". UPI. 20 апреля 2004 г.
  11. ^ a b «Потенциальная роль ацетил-КоА синтетазы (acs) и малатдегидрогеназы (mae) в эволюции ацетатного переключателя у бактерий и архей: научные отчеты» . www.nature.com . Проверено 28 сентября 2015 .
  12. ^ Buss, KA; Купер, Д.Р .; Ingram-Smith, C .; Ферри, JG; Сандерс, Д.А.; Хассон, MS (2001-01-01). «Уркиназа: структура ацетаткиназы, члена суперсемейства фосфотрансфераз ASKHA» . Журнал бактериологии . 183 (2): 680–686. DOI : 10.1128 / JB.183.2.680-686.2001 . ISSN 0021-9193 . PMC 94925 . PMID 11133963 .   
  13. ^ a b c Ротман, DH; Фурнье, GP; Французский, KL; Alm, EJ; Бойл, EA; Cao, C .; Вызов, RE (31.03.2014). «Метаногенный взрыв в конце пермского цикла углерода» . Труды Национальной академии наук . 111 (15): 5462–7. Bibcode : 2014PNAS..111.5462R . DOI : 10.1073 / pnas.1318106111 . PMC 3992638 . PMID 24706773 .  
  14. ^ a b c Стив Коннор (31 марта 2014 г.). «Вулканы? Метеоры? Нет, самое страшное массовое вымирание в истории - Великое вымирание - могло быть вызвано сексом между микробами» . Независимый . Проверено 31 марта 2014 года .
  15. ^ Лаура Dattaro (31 марта 2014). «Крупнейшее вымирание в истории Земли, вызванное микробами, как показывают исследования» . Канал погоды . Проверено 31 марта 2014 года .
  16. ↑ Уилл Данэм (31 марта 2014 г.). «Микроб, извергающий метан, обвиняется в наихудшем массовом вымирании на Земле» . Рейтер . Проверено 31 марта 2014 года .
  17. ^ «Симидзу разрабатывает дешевую и простую технику очистки сточных вод». Японский экономический журнал . 18 июня 1985 г. Раздел «Химия и текстиль», стр. 17.
  18. ^ "Анаэробные биореакторы становятся экономичными". Водные технологии . 2 (4). Июль 1994 г.
  19. ^ «Исследователи-инженеры, новый путь производства метана в микрооганизме» (пресс-релиз). Университет Арканзаса. 8 декабря 2010 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Собираем головоломку жизни из журнала Astrobiology (17 мая 2006 г.)
  • Methanosarcina из The Microbial Biorealm в Kenyon College
  • Сравнительный анализ геномов Methanosarcina (в системе IMG Министерства энергетики )
  • Methanosarcina Геномных проекты (от геномов онлайновой базы данных )
  • Methanosarcina в Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию