Морской червь умеет разлагать бактериальный полимер — основу для пластика

Полигидроксиалканоаты (ПГА) — это полиэфиры, которые некоторые виды бактерий, обитающих в почве и морских отложениях, запасают как источник углерода. В промышленности эти полимеры рассматриваются как источник биоразлагаемого пластика природного происхождения, ведь для утилизации ПГА бактерии также имеют специализированные ферменты — полигидроксиалканоатдеполимеразы (ПГАД). Ученые из Института морской микробиологии имени Макса Планка (Германия) показали, что некоторые многоклеточные животные тоже вырабатывают ферменты, позволяющие им утилизировать ПГА.

Объектом исследования стал морской червь Olavius algarvensis, который относится к подклассу кольчатых червей — малощетинковым червям. Представители этого вида не имеют ни рта, ни кишечника, но в них обитают бактерии-симбионты, которые черви переваривают внутри фаголизосом эпидермальных клеток. Один из симбионтов этого червя (Candidatus Thiosymbion algarvensis) — сероокисляющая бактерия, которая способна накапливать гранулы ПГА, состоящие преимущественно из полигидроксибутирата, полигидроксивалерата и полигидроксиметилвалерата. Вместе эти полимеры составляют почти половину от всех углеродных соединений в клетках симбионта и 14% всего углерода, содержащегося в организме червя. 

В геноме O. algarvensis содержится ген phaZ, который кодирует ПГАД. Этот фермент секретируется вне клетки и может разрушать денатурированные ПГА высокой молекулярной массы. При этом филогенетический анализ показал, что этот фермент не похож на ПГАД бактерии-симбионта червя, но близок к аналогичному ферменту грибка Penicillium funiculosum — единственной ПГАД эукариотов, структура которой охарактеризована. У ферментов червя и грибка наиболее похожи каталитическая триада и активный центр, содержащий оксианионную дыру — домен, который обеспечивает нуклеофильную атаку для разрушения полимера. 

Анализ транскриптома и протеома червя подтвердил экспрессию phaZ на обоих уровнях. Методом флуоресцентной гибридизации in situ (FISH) авторы показали, что в основном транскрипты phaZ локализуются в тех самых эпидермальных клетках под кутикулой червя, которые отвечают за переваривание бактерий-симбионтов.

Исследователи также проверили функциональную активность ПГАД O. algarvensis. Этот вариант фермента наработали в кишечной палочке, а способность разлагать ПГА протестировали на полигидроксибутирате (чистым или с примесью полигидроксивалерата). Спустя 24 часа фермент успешно разрушил полимер до мономеров — молекул гидроксибутирата. Ученые отметили, что применяли именно денатурированные ПГА: в природе эти полимеры оказываются за пределами бактериальных клеток уже денатурированными из-за переваривания бактерий в фаголизосомах хозяина.

Дальнейший анализ показал, что ПГАД встречаются еще у 14 видов малощетинковых червей, обитающих в разных условиях. В некоторых видах встречались разные формы ПГАД, которые, вероятно, отличаются специфичностью к субстрату. 

Ученые также сообщили об экспрессии у восьми видов червей другого фермента — дегидрогеназы бета-гидроксибутирата, которая необходима для дальнейшего катаболизма мономеров ПГА. Что интересно, в 15 видах бактерий-симбионтов ни этого фермента, ни ряда других, также необходимых для катаболизма продуктов расщепления ПГА, не оказалось. Таким образом, эти бактерии запасают углерод в виде гранул ПГА, хотя не могут использовать его как источник углерода — то есть запасы полезны только для хозяина. Исследователи считают, что потеря генов, необходимых для катаболизма ПГА, произошла вскоре после возникновения симбиоза между этими бактериями и червями, и в ходе эволюции отбирались те виды бактерий, которые могли накапливать полимерные гранулы, но не были способны разрушать их самостоятельно. Кроме того, накопление гранул ПГА все же может быть в чем-то полезно и для бактерий: при их частичной денатурации высвобождаются разветвленные гидроксиалканоаты, которые могут защищать от окислительного стресса.

Наконец, ученые выяснили, что гомологи ПГАД O. algarvensis ферменты встречаются еще у 66 видов многоклеточных животных (195 гомологов) и у 18 видов протистов (48 гомологов). Эти ферменты в большинстве случаев содержат те же каталитическую триаду и оксианионную дыру, т.е. не являются случайными гидролазами. Исследователи также доказали функциональную активность ряда новых ПГАД, экспрессировав в кишечной палочке ферменты губки Amphimedon queenslandica, дождевого червя Lumbricus rubellus и коллемболы Folsomia candida. 

Любопытно, что ферменты животных и ферменты бактерий на филогенетическом древе образуют две клады, разделение которых произошло довольно рано. Исключением стали два вида коловраток, которые экспрессируют бактериальные и грибные ферменты, но ученые считают, что это следствие горизонтального переноса генов. У последнего общего предка всех животных, вероятно, также имелся фермент, позволяющий разрушать бактериальные ПГА.

Полученные результаты расширяют спектр известных «потребителей» ПГА до животных. Это позволяет лучше понять дальнейшую судьбу ПГА: даже обычные черви могут обеспечить более полную утилизацию пластиков на основе ПГА, если они окажутся в почве.

Полиуретан, содержащий бактериальные споры, быстро разлагается в компосте