В Черном море найдены бактерии, способные синтезировать липиды архей

Один из важнейших признаков, отличающих архей от бактерий и эукариот, — химическое строение их клеточных мембран. В мембранных липидах бактерий и эукариот жирные кислоты присоединяются сложноэфирными связями к глицерин-3-фосфату. У архей же алкильные цепи, состоящие из изопреноидных звеньев, простыми эфирными связями связаны с глицерин-1-фосфатом. Считается, что этот «липидный раскол» возник при расхождении от последнего универсального общего предка (last universal common ancestor, LUCA), мембрана которого, возможно, содержала компоненты обоих типов. Однако остается неясным, какого состава была мембрана LUCA, если она вообще у него была. Также неясно, почему состав мембран эукариот подобен бактериальному, если существуют многочисленные доказательства в пользу того, что эукариотическая клетка — продукт эндосимбиоза, бактериальной клетки в архейном хозяине; значит ли это, что у ранних эукариот «архейная» мембрана была заменена бактериальной?

Многие из сценариев, объясняющих современную картину, предполагают существование микроорганизмов со «смешанной» бактериально-архейной мембраной, однако до сих пор такие микроорганизмы не были описаны.

Авторы работы опубликованной в ISME Journal, описали новый вероятный филум бактерий Candidatus Cloacimonetes, относящийся к суперфилуму Fibrobacteres–Chlorobi–Bacteroidetes. Многочисленных представителей Cloacimonetes обнаружил океанографический отбор проб в бескислородных водах Черного моря. Геномы вероятных членов Cloacimonetes, полученные из метагеномных данных, содержат как ферменты для синтеза типичных жирных кислот, входящих в состав мембран бактерий и эукариот, так и гомологи ферментов архей, необходимых для биосинтеза мембранных липидов архей, а именно геранилгеранилглицерилфосфатсинтазы (GGGP) и дигеранилгеранилглицерилфосфатсинтазы (DGGGP), гены которых в геноме располагаются друг за другом.

Чтобы оценить функциональность выявленных бактериальных гомологов GGGP и DGGGP, ученые клонировали их гены в экспрессионные векторы, которым трансформировали кишечную палочку E. coli. Наработанные рекомбинатные белки очистили и in vitro охарактеризовали их ферментативные свойства, подтвердив их вероятную роль в биосинтезе липидов архейного типа.

Кроме того, исследователи получили клетки E. coli, в которых одновременно экспрессируются GGGP и DGGGP. Анализ этих клеток показал, что в них присутствуют мембранные липиды архейного типа наряду с обычными мембранными липидами. Вероятно, такой способностью обладают и Cloacimonetes. Это первое свидетельство существования живых организмов со смешанной мембраной. Примечательно, однако, что некоторые археи суперфиллума Асгард (подробнее на PCR.news) также содержат гены, отвечающие за синтез липидов бактериальных мембран.

Авторы исследования полагают, что живые организмы после LUCA, но до стадии диверсификации бактерий имели клеточные мембраны смешанного состава. Более того, в независимом исследовании было показано, что GGGP и DGGGP могли появиться еще у LUCA, и тогда мембрана самого LUCA имела смешанный состав. Другая возможность заключается в том, что у предков суперфилума Fibrobacteres–Chlorobi–Bacteroidetes были обычные бактериальные мембраны, а позднее они приобрели DGGGP и GGGP в ходе горизонтального переноса генов.