Метаносарцина
| Метаносарцина | |
|---|---|
| Научная классификация | |
| Домен: | |
| Королевство: | |
| Тип: | |
| Сорт: | |
| Заказ: | |
| Семья: | |
| Род: | Метаносарцина Клюйвер и ван Ниль, 1936 год. |
| Типовой вид | |
| Метаносарцина баркери Быстрый 1947 год | |
| Разновидность | |
| |
| Синонимы | |
| |
Methanosarcina — род эвриархеотных архей , производящих метан . Эти одноклеточные организмы известны как анаэробные метаногены , которые производят метан, используя все три метаболических пути метаногенеза . Они живут в различных средах, где могут оставаться в безопасности от воздействия кислорода, будь то на поверхности земли, в грунтовых водах, в глубоких морских жерлах и в пищеварительном тракте животных. Метаносарцины растут колониями.
Аминокислота пирролизин была впервые обнаружена у вида Methanosarcina , M. barkeri . Примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans , что позволяет предположить, что этот микроб или его предок, возможно, сыграли решающую роль в эволюции жизни на Земле. Виды Methanosarcina также отличаются необычно большими геномами. M. acetivorans имеет самый большой известный геном среди всех архей.
Согласно теории, опубликованной в 2014 году, Methanosarcina , возможно, была в значительной степени ответственна за крупнейшее событие вымирания в истории Земли - пермско-триасовое вымирание . Теория предполагает, что приобретение нового метаболического пути посредством переноса генов с последующим экспоненциальным размножением позволило микробу быстро потреблять огромные запасы органического углерода в морских отложениях, что привело к резкому накоплению метана и углекислого газа в земных океанах и атмосфере, что привело к гибели около 90% видов в мире. Эта теория могла бы лучше объяснить наблюдаемый уровень изотопов углерода в отложениях того времени, чем другие теории, такие как вулканическая активность.
Метаносарцина используется для очистки сточных вод с середины 1980-х годов. Исследователи искали способы использовать его в качестве альтернативного источника энергии. Штаммы Methanosarcina выращивали с одноклеточной морфологией ( Sowers et al. 1993 ) при 35°C в бульонной среде HS, содержащей 125 мМ метанола плюс 40 мМ ацетата натрия (среда HS-MA).
Обзор
[ редактировать ]Methanosarcina может быть единственным известным анаэробным метаногеном , который производит метан, используя все три известных метаболических пути метаногенеза . Метаногенез имеет решающее значение для промышленности по переработке отходов, а биологический метан также представляет собой важный альтернативный источник топлива. Большинство метаногенов производят метан из углекислого газа и газообразного водорода. Другие используют ацетат в ацетокластическом пути. В дополнение к этим двум путям виды Methanosarcina также могут метаболизировать метилированные одноуглеродные соединения посредством метилотрофного метаногенеза. К таким одноуглеродным соединениям относятся метиламины , метанол и метилтиолы . [1] Только виды Methanosarcina обладают всеми тремя известными путями метаногенеза и способны использовать не менее девяти метаногенных субстратов, включая ацетат.
Метаносарцины — самые разнообразные в мире метаногены с точки зрения экологии . Они встречаются в таких средах, как свалки, кучи сточных вод, глубокие морские жерла, глубокие подземные воды и даже в кишечнике многих различных копытных , включая коров, овец, коз и оленей. [1] Метаносарцины также были обнаружены в пищеварительном тракте человека. [2] M. barkeri может выдерживать резкие колебания температуры и длительное время обходиться без воды. Он может потреблять различные соединения или выживать исключительно за счет водорода и углекислого газа. [3] Он также может выжить в средах с низким pH , которые обычно опасны для жизни. [4] Отметив его чрезвычайную универсальность, биолог Кевин Сауэрс предположил, что M. barkeri может выжить даже на Марсе. [3] Methanosarcina растут колониями и демонстрируют примитивную клеточную дифференцировку. [1]
аминокислота пирролизин была обнаружена в M. barkeri В 2002 году исследователями Университета штата Огайо . [5] Более ранние исследования группы показали, что ген M. barkeri имеет янтарный кодон (UAG) в рамке считывания , который не сигнализирует о конце белка, как обычно можно было бы ожидать. Такое поведение предполагало существование неизвестной аминокислоты, что было подтверждено в течение нескольких лет путем разрезания белка на пептиды и их секвенирования. Пирролизин был первой генетически кодируемой аминокислотой, открытой с 1986 года, и 22-й в целом. [6] Впоследствии он был обнаружен во всем семействе Methanosarcinaceae , а также у одной бактерии Desulfitobacterium hafniense .
И M. acetivorans , и M. mazei имеют исключительно большие геномы . По состоянию на август 2008 года M. acetivorans обладал самым большим секвенированным геномом архей с 5 751 492 парами оснований . Геном M. mazei имеет 4 096 345 пар оснований. [1]
Мембраны клеток Methanosarcina состоят из относительно коротких липидов, в основном из углеводородов C25 и простых эфиров C20. Большинство других метаногенов содержат углеводороды С30 и смесь простых эфиров С20 и С40. [7] [8]
Филогения
[ редактировать ]Принятая в настоящее время таксономия основана на Списке названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN). [9] и Национальный центр биотехнологической информации (NCBI). [10]
| на основе 16S рРНК ДП _06_2022 [11] [12] [13] | 53 маркерных белка на основе GTDB 08-RS214 [14] [15] [16] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
Роль в раннем развитии жизни на Земле
[ редактировать ]В 2004 году две примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans и другого архея, Aeropyrum pernix . [17] Эти глобины, известные как протоглобины , связываются с кислородом так же, как это делает гемоглобин. У M. acetivorans это позволяет удалить нежелательный кислород, который в противном случае был бы токсичным для этого анаэробного организма. Таким образом, протоглобины, возможно, открыли путь для эволюции более поздних форм жизни, зависящих от кислорода. [18] После Великого события оксигенации , когда в атмосфере Земли появился свободный кислород, способность перерабатывать кислород привела к широко распространенному излучению жизни и стала одним из наиболее фундаментальных этапов эволюции форм жизни Земли. [17]
Вдохновленная M. acetivorans , группа исследователей штата Пенсильвания под руководством Джеймса Г. Ферри и Кристофера Хауса в 2006 году предложила новую «термодинамическую теорию эволюции». Было замечено, что M. acetivorans превращает окись углерода в ацетат , ученые выдвинули гипотезу, что ранние «протоклетки», прикрепленные к минералам, могли аналогичным образом использовать примитивные ферменты для выработки энергии при выделении ацетата. Таким образом, теория стремилась объединить «гетеротрофную» теорию ранней эволюции, согласно которой первичный суп из простых молекул возник в результате небиологических процессов, и «хемоавтотрофную» теорию, согласно которой самые ранние формы жизни создали наиболее простые молекулы. Авторы отметили, что, хотя «дебаты между гетеротрофной и хемотрофной теориями вращались вокруг фиксации углерода», на самом деле «эти пути сначала развились для производства энергии. Впоследствии они эволюционировали для фиксации углерода». [2] Ученые также предложили механизмы, которые позволили бы связанным с минералами протоклеткам стать свободноживущими и эволюционировать из ацетатного метаболизма в метан, используя те же энергетические пути. Они предположили, что M. acetivorans была одной из первых форм жизни на Земле, прямым потомком ранних протоклеток. Исследование было опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution в июне 2006 года. [2]
Недавно исследователи предложили гипотезу эволюции ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы с геномными доказательствами Methanosarcina . [19] Ученые предполагают, что ацетаткиназа может быть урокиназой в главном суперсемействе белков, включающем актин . [20] Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что ацетаткиназа эволюционировала в древнем галофильном геноме Methanosarcina посредством дупликации и дивергенции гена ацетил-КоА-синтетазы . [19]
Роль в пермско-триасовом вымирании
[ редактировать ]Была выдвинута гипотеза, что производство метана Methanosarcina могло быть одной из причин пермско-триасового вымирания . Подсчитано, что 70% панцирных существ погибли от закисления океана из-за перенаселенности Methanosarcina . [21] Исследование, проведенное китайскими и американскими исследователями, подтверждает эту гипотезу. Используя генетический анализ около 50 геномов Methanosarcina , команда пришла к выводу, что микроб, вероятно, приобрел способность эффективно потреблять ацетат с помощью ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы примерно 240 ± 41 миллион лет назад. [а] примерно во время вымирания 252 миллиона лет назад. [21] Гены этих ферментов могли быть получены от бактерий, разлагающих целлюлозу, путем переноса генов . [22] Перенос генов играет важную роль в адаптации видов Methanosarcina к окружающей среде: геномы некоторых видов содержат до 31% генов, приобретенных в результате переноса генов, таких как Methanosarcina mazei. [23]
Ученые пришли к выводу, что эти новые гены в сочетании с широко доступными отложениями органического углерода в океане и обильными запасами никеля , [б] позволил Methanosarcina резко увеличить популяцию . По их теории, это привело к выбросу большого количества метана в качестве отходов. [22] Затем часть метана была бы расщеплена на углекислый газ другими организмами. [24] Накопление этих двух газов привело бы к резкому снижению уровня кислорода в океане, а также к увеличению кислотности . Земной климат одновременно испытал бы повышение температуры и значительные изменения климата из-за выброса этих парниковых газов в атмосферу. Вполне возможно, что накопление углекислого газа и метана в атмосфере в конечном итоге привело к выбросу сероводорода , что еще больше увеличило нагрузку на земную жизнь. Выводы группы были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences в марте 2014 года. [21]
Сторонники теории микробов утверждают, что она лучше объясняет быстрый, но постоянный рост уровня изотопов углерода в отложениях отложений того периода, чем извержение вулкана, которое вызывает всплеск уровня углерода, за которым следует медленное снижение. [22] Теория микробов предполагает, что вулканическая активность сыграла другую роль – поставляя никель, который Methanosarcina был необходим в качестве кофактора . Таким образом, микробная теория утверждает, что сибирская вулканическая активность была катализатором, но не основной причиной массового вымирания. [25]
Использование людьми
[ редактировать ]В 1985 году компания Shimizu Construction разработала биореактор , в котором используется метаносарцина для очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности и бумажных фабрик. Вода подается в реактор, где микробы расщепляют частицы отходов. Метан, производимый архей, затем используется для питания реактора, что делает его эксплуатацию дешевой. В ходе испытаний Methanosarcina снизил концентрацию отходов с 5 000–10 000 частей на миллион (ppm) до 80–100 ppm. Для завершения процесса очищения необходимо было дальнейшее лечение. [26] Согласно отчету журнала Chemistry and Industry за 1994 год , биореакторы, в которых используется анаэробное сбраживание с помощью Methanothrix soehngenii или Methanosarcina, производят меньше побочных продуктов ила, чем аэробные аналоги. Реакторы метаносарцины работают при температуре от 35 до 55 °C и диапазоне pH 6,5-7,5. [27]
Исследователи искали способы более широкого использования способности Methanosarcina производить метан в качестве альтернативного источника энергии. В декабре 2010 года исследователи из Университета Арканзаса успешно внедрили ген в M. acetivorans , который позволил ему расщеплять сложные эфиры . Они утверждали, что это позволит более эффективно преобразовывать биомассу в метан для производства электроэнергии. [28] В 2011 году было показано, что большая часть метана, образующегося при разложении на свалках, поступает из M. barkeri . Исследователи обнаружили, что микроб может выживать в среде с низким pH и потребляет кислоту, тем самым повышая pH и позволяя процветать более широкому спектру форм жизни. Они утверждали, что их результаты могут помочь ускорить исследования по использованию метана, вырабатываемого архей, в качестве альтернативного источника энергии. [4]
Примечания
[ редактировать ]- ^ Это значение представляет собой предполагаемую дату последнего общего предка тех штаммов Methanosarcina , которые могли легко расти на ацетате.
- ^ Никель-тетрапиррольный кофермент, кофактор F430 , присутствует в метилкоферменте М- редуктазе, который катализирует заключительный этап высвобождения метана метаногенами.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Галаган, Дж. Э.; Нусбаум, К.; Рой, А.; Эндрицци, МГ; Макдональд, П.; Фицхью, В.; Кальво, С.; Энгельс Р.; Смирнов С.; Атнур, Д.; Браун, А.; Аллен, Н.; Нейлор, Дж.; Штанге-Томанн, Н.; Диреллано, К.; Джонсон, Р.; Линтон, Л.; Макьюэн, П.; МакКернан, К.; Таламас, Дж.; Тиррелл, А.; Йе, В.; Циммер, А.; Барбер, доктор медицинских наук; Канн, И.; Грэм, Делавэр; Грэм, округ Колумбия; Гасс, AM; Хеддерих, Р.; Ингрэм-Смит, К. (2002). «Геном M. Acetivorans демонстрирует обширное метаболическое и физиологическое разнообразие» . Геномные исследования . 12 (4): 532–542. дои : 10.1101/гр.223902 . ПМК 187521 . ПМИД 11932238 .
- ^ Перейти обратно: а б с «Насекомые, изрыгающие метан, вдохновляют на создание новой теории происхождения жизни на Земле». Космическая газета . 15 мая 2006 г.
- ^ Перейти обратно: а б Майкл Ширбер (14 июля 2009 г.). «Разыскиваются: спокойные марсианские соседи по комнате». Космическая газета .
- ^ Перейти обратно: а б «Исследователи идентифицируют микроб, ответственный за метан на свалках» (пресс-релиз). Государственный университет Северной Каролины – Роли. 6 апреля 2011 г.
- ^ «Научный блокнот». Вашингтон Пост . 27 мая 2002 г. с. А09.
- ^ «Обнаружена новая аминокислота». Прикладная генетика . 22 (11). Июнь 2002 года.
- ^ Ян Керман. «Метаносаркина баркери» . Проверено 9 апреля 2014 г.
- ^ Дж. Д. Спротт; Си Джей Дикер; ГБ Патель (1994). «Эфирные липиды Methanosarcina mazei и других видов Methanosarcina, сравнение с помощью масс-спектрометрии с бомбардировкой быстрыми атомами». Канадский журнал микробиологии . 40 (10): 837–843. дои : 10.1139/m94-133 .
- ^ Ж. П. Эзеби. «Метаносарцина» . Список названий прокариот, имеющих номенклатуру (LPSN) . Проверено 17 ноября 2021 г.
- ^ Сэйерс; и др. «Метаносарцина» . База данных таксономии Национального центра биотехнологической информации (NCBI) . Проверено 5 июня 2022 г.
- ^ «ЛТП» . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «Дерево LTP_all в формате Ньюика» . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «Примечания к выпуску LTP_06_2022» (PDF) . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «Выпуск GTDB 08-RS214» . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ "ar53_r214.sp_label" . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ «История таксонов» . База данных геномной таксономии . Проверено 10 мая 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Старейшие предки гемоглобина дают ключ к разгадке древнейшей жизни, основанной на кислороде» (пресс-релиз). Национальный научный фонд. 20 апреля 2004 г.
- ^ «Ученые находят примитивные гемоглобины». УПИ. 20 апреля 2004 г.
- ^ Перейти обратно: а б Барнхарт, Эллиот П.; МакКлюр, Марселла А.; Джонсон, Кики; Кливленд, Шон; Хант, Кристофер А.; Филдс, Мэтью В. (3 августа 2015 г.). «Потенциальная роль ацетил-КоА-синтетазы (acs) и малатдегидрогеназы (mae) в эволюции ацетатного переключателя у бактерий и архей: научные отчеты» . Научные отчеты . 5 (1): 12498. дои : 10.1038/srep12498 . ПМЦ 4522649 . ПМИД 26235787 .
- ^ Басс, Калифорния; Купер, доктор медицинских наук; Ингрэм-Смит, К.; Ферри, Дж. Г.; Сандерс, Д.А.; Хэссон, MS (1 января 2001 г.). «Уркиназа: структура ацетаткиназы, члена суперсемейства фосфотрансфераз ASKHA» . Журнал бактериологии . 183 (2): 680–686. дои : 10.1128/JB.183.2.680-686.2001 . ISSN 0021-9193 . ПМК 94925 . ПМИД 11133963 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ротман, Д.Х.; Фурнье, врач общей практики; французский, КЛ; Альм, Э.Дж.; Бойл, Э.А.; Цао, К.; Вызов, RE (31 марта 2014 г.). «Метаногенный всплеск в углеродном цикле конца перми» . Труды Национальной академии наук . 111 (15): 5462–7. Бибкод : 2014PNAS..111.5462R . дои : 10.1073/pnas.1318106111 . ПМЦ 3992638 . ПМИД 24706773 .
- ^ Перейти обратно: а б с Стив Коннор (31 марта 2014 г.). «Вулканы? Метеоры? Нет, худшее массовое вымирание в истории – Великое вымирание – могло быть вызвано сексом микробов» . Независимый . Архивировано из оригинала 12 мая 2022 г. Проверено 31 марта 2014 г.
- ^ Деппенмайер, Уве; Иоганн, Андре; Хартч, Томас; Меркл, Райнер; Шмитц, Рут А.; Мартинес-Ариас, Роза; Курица, Анке; Визер, Арним; Боймер, Себастьян; Якоби, Карстен; Брюггеманн, Хольгер; Линард, Таня; Кристманн, Андреас; Бёмеке, Мехтильд; Штекель, Силке (июль 2002 г.). «Геном Methanosarcina mazei: доказательства латерального переноса генов между бактериями и архей» . Журнал молекулярной микробиологии и биотехнологии . 4 (4): 453–461. ISSN 1464-1801 . ПМИД 12125824 .
- ^ Лаура Даттаро (31 марта 2014 г.). «Крупнейшее вымирание в истории Земли, вызванное микробами, как показывают исследования» . Погодный канал . Проверено 31 марта 2014 г.
- ^ Уилл Данэм (31 марта 2014 г.). «Микроб, извергающий метан, обвинен в худшем массовом вымирании на Земле» . Рейтер . Проверено 31 марта 2014 г.
- ^ «Симидзу разрабатывает дешевый и простой метод очистки сточных вод». Японский экономический журнал . 18 июня 1985 г. Раздел «Химия и текстиль», стр. 17.
- ^ «Анаэробные биореакторы становятся экономичными». Водные технологии . 2 (4). Июль 1994 года.
- ^ «Инженер-исследователь: новый путь производства метана в микроорганизмах» (пресс-релиз). Университет Арканзаса. 8 декабря 2010 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Собираем головоломку жизни из журнала Astrobiology (17 мая 2006 г.)
- Метаносарцина из микробной биообласти Кеньон-колледжа
- Сравнительный анализ метаносарцин геномов (в Министерства энергетики США системе IMG )
- Methanosarcina Геномные проекты (из онлайн-базы данных Genomes )
- Methanosarcina at Bac Dive - база метаданных по бактериальному разнообразию