Ученые из Института морской микробиологии им. Макса Планка успешно усовершенствовали культивирование микроорганизма, способного фиксировать азот (N 2 ) при одновременном производстве метана (CH 4 ) и аммиака (NH 3 ), и исследовали захватывающие детали его метаболизма.
Углерод и азот являются важнейшими элементами жизни. Некоторые организмы занимают ключевые позиции в круговороте тех и других, среди них Methanothermococcus thermolithotrophicus. За сложным названием скрывается сложный микроб. M. thermolithotrophicus — морской теплолюбивый метаноген.
Он обитает в океанских отложениях, от песчаных берегов и соленых болот до морских глубин, предпочтительно при температуре около 65 °C. Он способен превращать азот (N 2 ) и углекислый газ (CO 2 ) в аммиак (NH 3 ) и метан (CH 4 ) с помощью водорода (H 2 ). Оба продукта, аммиак и метан, очень интересны для биотехнологических применений в производстве удобрений и биотоплива.
Тристану Вагнеру и Невене Маслач из Института морской микробиологии им. Макса Планка удалось вырастить этот микроб в ферментере — непростая задача.
«Очень сложно обеспечить идеальные условия для развития этого микроба при фиксации N 2 — высокие температуры, отсутствие кислорода и контроль за уровнем водорода и углекислого газа», — говорит Маслач, которая провела исследование в рамках своей докторской диссертации. .Д. проект. «Но с некоторой изобретательностью и настойчивостью нам удалось заставить их процветать в нашей лаборатории и достичь самой высокой плотности клеток, о которой сообщалось до сих пор».
Как только культуры были запущены и запущены, ученые смогли подробно изучить физиологию микроба, а затем углубить свои исследования, наблюдая, как метаболизм микроба адаптируется к фиксации N 2 . «В тесном сотрудничестве с нашими коллегами Чандни Сидху и Ханно Тилингом мы объединили физиологические тесты и дифференциальную транскриптомику, что позволило нам глубже изучить метаболизм M. thermolithotrophicus», — объясняет Маслач.
Невероятно, как шмель
Метаболические способности M. thermolithotrophicus вызывают недоумение: эти микробы используют метаногенез, метаболизм, возникший на ранней бескислородной Земле, для получения своей клеточной энергии. По сравнению с людьми, которые используют кислород для преобразования глюкозы в углекислый газ, метаногены получают лишь очень ограниченное количество энергии от метаногенеза. Как это ни парадоксально, фиксация азота требует гигантских затрат энергии, которая истощит их.
«Они немного похожи на шмелей, которые теоретически слишком тяжелы, чтобы летать, но, тем не менее, очевидно, что они летают», — говорит старший автор Тристан Вагнер, руководитель исследовательской группы микробного метаболизма Макса Планка. «Несмотря на такое ограничение энергии, было обнаружено, что эти очаровательные микробы даже являются основными фиксаторами азота в некоторых средах».
Надежная нитрогеназа
Фермент, который организмы используют для фиксации азота, называется нитрогеназой. Наиболее распространенным нитрогеназам для проведения реакции требуется молибден. Молибденнитрогеназа хорошо изучена у бактерий, живущих симбионтами в корнях растений. Их нитрогеназа может ингибироваться вольфраматом.
Удивительно, но бременские ученые обнаружили, что M. thermolithotrophicus не повреждается вольфраматом при росте на N 2 . «Наш микроб зависел только от молибдена для фиксации N 2 и не беспокоился о вольфрамате, что подразумевает адаптацию систем сбора металлов, что делает его еще более надежным для различных потенциальных применений», — говорит Маслач.
Переосмысление производства аммиака
Фиксация азота, т. е. получение азота из N 2 , является основным процессом включения азота в биологический круговорот. Для промышленного производства удобрений этот процесс осуществляется с помощью процесса Габера-Боша, который искусственно фиксирует азот для производства аммиака с водородом при высоких температурах и давлениях. Он используется для производства большей части аммиака в мире, необходимого удобрения для поддержания мирового сельского хозяйства.
Процесс Габера-Боша чрезвычайно энергозатратен: он потребляет 2% производимой в мире энергии и в то же время высвобождает до 1,4% глобальных выбросов углерода. Таким образом, люди ищут более устойчивые альтернативы производству аммиака.
«Процесс, используемый M. thermolithotrophicus, показывает, что в микробном мире все еще существуют решения, которые могут позволить более эффективное производство аммиака, и что их даже можно комбинировать с производством биотоплива из метана», — говорит Вагнер.
«Благодаря этому исследованию мы поняли, что в условиях фиксации N 2 метаноген жертвует своим производством белков, чтобы способствовать захвату азота, что является особенно разумной стратегией перераспределения энергии», — резюмирует Вагнер. «Нашим следующим шагом будет изучение молекулярных деталей процесса и задействованных ферментов, а также изучение других частей метаболизма организма».
Исследование опубликовано в mBio.
