Древние бактерии могут спасти человечество

Если в результате глобального катаклизма в атмосфере Земли не останется кислорода, то одним из немногих выживших организмов будет кишечная палочка (Escherichia coli). Ее главный козырь — умение дышать чем угодно и где угодно: на поверхности, в почве, желудке человека и необязательно кислородом. Вместе с кишечной палочкой на планете останутся еще несколько сотен видов древних существ, способных дышать серой, железом, ураном и даже мышьяком.
 

В 2010 году Фелиса Вольф-Саймон, научный сотрудник астробиологического отделения NASA, изучая соленое калифорнийское озеро Моно-Лейк, обнаружила необычные бактерии. Они обитали в воде, где концентрация щелочей превышала в 80 раз соответствующий показатель в океане. Микробы использовали для дыхания мышьяк — яд для большинства живых организмов.
В лаборатории находку, названную "штамм GFAJ-1", поместили в питательный раствор с нормальным содержанием сахаров и витаминов, но полностью лишенный фосфатов — соединений, в виде которых фосфор поступает из окружающей среды. Вместо них микроорганизмам подложили арсенаты (соединения мышьяка).

Оказалось, что в бесфосфорной среде бактерии не только дышат мышьяком, но и умеют включать его в молекулы ДНК и РНК вместо фосфора. По химическим свойствам эти элементы схожи — ферменты в клетке могут не отличать фосфат от арсената, и такое бывает довольно часто. Правда, обычно подобное замещение заканчивается смертью и окаменением бактерий, но только не в случае со штаммом GFAJ-1.

"Анаэробные микроорганизмы (такие, которым для жизни кислород не нужен или смертельно опасен. — Прим. ред.) способны восстанавливать мышьяк, используя его в дыхании как акцептор электронов. Также анаэробы в состоянии дышать сульфатами, железом, марганцем, ураном, селеном, нитратами. Речь идет только о микробах, у которых нет оформленного ядра, — прокариотах, в том числе бактериях и археях. Встречаются грибы, растущие анаэробно, но такое бывает редко, и среди эукариотов (организмов с оформленным ядром) это скорее исключение, чем правило", — рассказывает РИА Новости Ольга Карначук, заведующая кафедрой физиологии растений и биотехнологии Биологического института Томского государственного университета.
 

Слева — Фелиса Вольф-Саймон, обнаружившая микроорганизмы, которые используют фосфор в качестве строительного материала для клетки. Справа — бактерии штамма GFAJ-1 в питательном растворе, содержащем витамины, сахара и арсенаты.
 

Более трех миллиардов лет назад первые живые организмы на Земле питались молекулами водорода и серы.

"Самое древнее из анаэробных дыханий — серное. Сера, как и молекулярный водород, происходила из вулканов. Этот тип метаболизма использовался, когда вся жизнь состояла только из бактерий и архей", — уточняет Ольга Карначук.

С появлением цианобактерий, продуктом жизнедеятельности которых был кислород, состав земной атмосферы стал постепенно меняться. Примерно 850-600 миллионов лет назад в воздухе было уже много О2. Для древних микроорганизмов это означало катастрофу — кислород для них столь же ядовит, как газообразный хлор для человека. Поэтому одни вымерли, другие (так называемые облигатные анаэробы) сбежали в бескислородные места — например, под землю. Были и такие, которые сумели приспособиться и научились обезвреживать токсичный газ.

Со временем некоторые микроорганизмы "поняли": кислород — сильный акцептор электронов и, окисляя им органические молекулы, можно получить очень много необходимой для жизни энергии. Значит, увеличиваются размеры клетки, следовательно, в ней помещается больше ДНК, а строение усложняется — так возникает шанс стать многоклеточным.
 

"Растения, животные, люди — все дышат кислородом. Это самый эффективный способ получения энергии, поэтому, когда появилось аэробное дыхание, перед живыми организмами открылась перспектива образовывать высшие формы, включая человека. Анаэробные микробы тоже способны эволюционировать, но в другом направлении. Многие из них пошли по пути совмещения двух типов дыхания. Например, кишечная палочка (Escherichia coli) дышит кислородом, а попав в организм человека (в анаэробную среду) — нитратами. Если же совсем плохие условия, бактерия способна вообще не дышать, она бродит — это совершенно иной тип метаболизма. Среди высших форм таких приспособленцев практически нет", — отмечает эксперт.

Впрочем, одно исключение все-таки есть — голый землекоп. Это млекопитающее, живущее в подземных норах, часами обходится очень низким уровнем кислорода, а совсем без воздуха протянет целых 18 минут (для сравнения: смерть мозга у человека наступает в среднем после пяти минут в бескислородной среде).

Когда в воздухе мало О2, голый землекоп переключается на анаэробное расщепление фруктозы — благодаря тому, что каналы GLUT5, отвечающие за выброс фруктозы в кровь, синтезируются у него в разных тканях. У остальных млекопитающих они вырабатываются только в кишечнике.
 

"Организмов, умеющих обходиться без кислорода, на Земле очень много, потому что анаэробные условия легко создаются — например, в цветочном горшке, компостной куче или прибрежных осадках, даже в нашем собственном организме", — продолжает исследовательница.

Хотя некоторые анаэробы становятся причиной серьезной инфекции при огнестрельном или ножевом ранении, большинство приносит человеку пользу. Например, ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего научили бактерии Salmonella enterica уничтожать раковые опухоли: одни сальмонеллы синтезировали токсин, проделывающий дыры в мембранах раковых клеток, вторые — специальный белок, активирующий иммунную систему, третьи производили молекулу, запускающую в раковых клетках программу самоуничтожения.

Метаногенные археи используются при производстве биогаза из обычного бытового мусора, а сульфатвосстанавливающие группы умеют очищать сточные воды от загрязнений.

"Сегодня многие шахты закрывают из-за высокой концентрации сульфата. При добыче угля образуется большое количество сточных вод, после очистки поступающих в реки. Если от сульфатов не избавляться, возможны заморы рыбы и другой водной биоты в зимнее время. Мы очищаем шахтные сточные воды от этих вредных соединений с помощью выращенных в нашей лаборатории микроорганизмов. Создаем в шахтах такие условия, чтобы там было возможно сульфатное дыхание и весь сульфат удалялся с помощью бактерий. Эта технология уже используется на практике в Великобритании, США, Германии. Мы сейчас как раз создаем биотехнологию, которая сможет работать в климатических условиях России с низкими среднегодовыми температурами", — заключает эксперт.