Эволюция и распространение внеклеточного транспорта электронов у бактерий

Микроорганизмы получают энергию с помощью «дыхания», используя самые разнообразные субстраты. При этом они активно преобразуют окружающую среду. Яркий пример — рост уровня кислорода в атмосфере Земли в результате метаболизма фотосинтезирующих бактерий. В последние годы ученые обнаружили процесс под названием внеклеточный транспорт электронов, который позволяем микроорганизмам «дышать» минералами, находящимися вне клетки. Другими словами, они устанавливают электрическую связь с окружающим миром, которая позволяет им получать энергию. Люди пытаются применять этот процесс, чтобы избавиться от токсичных отходов, а также в поисках альтернативных источников энергии.

Результаты, полученные в ходе нового исследования, указывают на то, что гены, кодирующие систему внеклеточного транспорта электронов, присутствуют у многих микроорганизмов. Предполагается, что эти гены передаются в том числе посредством горизонтального переноса, а изменения в них отражают адаптации к разным средам.

Чтобы подтвердить эту гипотезу, ученые рассмотрели систему MtrCAB из бактерии Shewanella oneidensis. Гомологи MtrCAB ранее были обнаружены у родов Aeromonas и Vibrio. Авторы искали кластеры генов mtrC, mtrA и mtrB у других микроорганизмов.

Обнаружилось, что MtrCAB кодируют многие бактерии. Так, гомологи этой системы обнаружили у 148 видов, входящих в 13 отрядов, пять классов и три типа. Большинство идентифицированных видов относятся к гамма-протеобактериям и бета-протеобактериям, также отмечено пять видов ацидобактерий и одиночные виды альфа-протеобактерий и гемматимонад. Все бактерии — грамотрицательные. Они обитают в разнообразных средах, включая гидротермальные источники, соленые озера и сточные воды.

Около 40% кодирующих кластер MtrCAB видов принадлежат к группе Shewanella-Paraferrimonas-Ferrimonas. В этой группе кластер, вероятно, передается вертикально. Остальные виды не принадлежат к определенной кладе; они также являются меньшинством в своих родах, отрядах и даже типах. Такое распределение видов могут объяснить два эволюционных пути: множественные потери кластера у большинства видов или, что более вероятно, горизонтальный перенос генов.

При сравнении геномов родственных штаммов были обнаружены так называемые «геномные шрамы», которые указывают на вставку или потерю MtrCAB. Так, кластер может разрывать синтеническую область при интеграции в геном. Также иногда в области, где у родственных видов находится MtrCAB, обнаруживаются гены, кодирующие транспозазы, интегразы, эндонуклеазы и (или) рекомбиназы, что может указывать на недавнюю потерю кластера.

Изучение переноса MtrCAB позволило заметить, что иногда вместе с этим кластером генов переносятся другие гены, непосредственно соседствующие с ним. Авторы предположили, что они могут представлять собой вспомогательные гены-пассажиры, которые, предположительно, помогают организму-акцептору осуществлять внеклеточный транспорт электронов.

По словам Изабель Бейкер, аспирантки кафедры органической и эволюционной биологии Гарвардского университета и первого автора статьи: «Доступность различных субстратов со временем меняется, поскольку Земля продолжает развиваться под воздействием естественных причин и в результате активности человека. Понимание того, как эти белки коэволюционировали с историей кислорода на Земле, очень важно. Это помогло бы нам выяснить, мог ли данный тип метаболизма или метаболизм, подобный ему, сыграть роль в одном из масштабных преобразований поверхности нашей планеты, которое сделало мир таким, каким мы его знаем».