Гигантские симбионты глубоководных трубчатых червей используют два пути фиксации углерода, чтобы расти с рекордной скоростью

Важные новости

Гигантская глубина Симбионты трубчатого червя морского жерла используют два пути фиксации углерода, чтобы расти с рекордной скоростью

Riftia pachiyptila. Фото: Питер Гиргис

В глубоководной среде Восточно-Тихоокеанского поднятия, куда не проникает солнечный свет, а окружающая среда известна своими экстремальными температурами, сокрушительным давлением и токсичными соединениями, обитает Riftia pachyptila, гигантский гидротермальный организм. вентиляционный трубчатый червь. Вырастая до 6 футов в высоту и обладая темно-красным оперением, Рифтия не имеет пищеварительной системы, но процветает за счет симбиотических отношений с бактериями, живущими глубоко внутри ее тела. Эти миллиарды бактерий связывают углекислый газ с сахарами, чтобы поддерживать себя и трубчатого червя.

В отличие от большинства автотрофных организмов, которые поддерживают себя за счет одного пути фиксации углерода, хемоавтотрофные эндосимбионты Riftia обладают двумя функциональными путями фиксации углерода. Многое в этих путях было загадкой для ученых, которые имели ограниченное представление об их деятельности и интеграции с другими метаболическими процессами.

Новое исследование проливает свет на то, как эти два пути, циклы Кальвина-Бенсона-Башама (CBB) и цикл восстановительной трикарбоновой кислоты (rTCA), координируются, раскрывая сложную адаптацию, которая позволяет этим симбионтам процветать в их динамичной и суровой среде. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Microbiology, группа учёных с факультета организменной и эволюционной биологии Гарвардского университета собрала трубчатых червей с Восточно-Тихоокеанского поднятия, чтобы изучить регуляцию и координацию двух функциональных путей.

<р>Инкубируя трубчатых червей в условиях, имитирующих их естественную среду обитания, включая давление 3000 фунтов на квадратный дюйм и почти токсичные уровни серы, исследователи смогли измерить чистую скорость фиксации углерода и изучить транскрипционные и метаболические реакции.

«Эта статья на самом деле представляет собой демонстрацию силы в переходе от изучения живых организмов и измерения скорости их метаболизма и их непосредственного сопоставления с транскриптами, что позволило исследовательской группе показать, что эти пути, скорее всего, протекают параллельно», — сказал старший соавтор Питер Гиргис, профессор организмической и эволюционной биологии. «Работа показывает, что двойные пути зависят от условий окружающей среды и что на орбите каждого из этих двух путей существуют другие метаболические системы».

Исследование проводили сотрудники лаборатории Гиргиса, в том числе Митчелл и Дженнифер Делани, а также Адам Фридман из Гарвардской группы информатики.

Фиксация углерода — это процесс преобразования углекислого газа в сахара, и это основной процесс, поддерживающий работу нашей биосферы. В зависимости от окружающей среды, включая доступные источники энергии и углерода, организмы выработали разные метаболические стратегии. Фотосинтезирующие организмы, такие как растения, используют солнечный свет для получения энергии для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и кислород.

В глубоком море, вне досягаемости солнечного света, но там, где вулканически перегретая вода хлещет через гидротермальные жерла, хемоавтотрофные симбионты Riftia pachyptila используют энергию сероводорода для фиксации углерода, который питает метаболизм и рост червей. Тщательно варьируя экспериментальные условия для Riftia, команда смогла определить, как изменения в химии окружающей среды влияют на то, как координируются их два углеродных пути.

«Это наиболее глубокий анализ бактерий, у которых есть два пути фиксации углерода, rTCA и CBB», — сказала ведущий автор и постдокторант Джессика Митчелл. «Это также первый сетевой анализ, проведенный на симбиозе гидротермальных жерл, и первый сетевой анализ, проведенный на системе двойного пути фиксации углерода».

Сетевой анализ позволил команде выявить закономерности в данных об экспрессии генов и предоставить более полную картину системы. В результате анализа были выявлены гены-концентраторы метаболизма, которые играют ключевую роль в поддержании и регулировании сложной сети метаболических реакций внутри клеток.

Гигантские глубоководные симбионты трубчатых червей используют два пути фиксации углерода, чтобы расти с рекордной скоростью

Предыстория, дизайн исследования и использованные методы. Кредит: <я>Природная микробиология (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01704-y

Особая роль в метаболической функции

Команда обнаружила, что паттерны транскрипции циклов rTCA и CBB значительно различаются в зависимости от различных геохимических режимов. Было обнаружено, что каждый путь связан с конкретными метаболическими процессами. Цикл rTCA связан с гидрогеназами и диссимиляционным восстановлением нитратов. Эти ферменты имеют решающее значение для переработки водорода и нитратов в отсутствие кислорода, что позволяет предположить, что цикл rTCA играет ключевую роль в условиях более низкой энергии.

Напротив, цикл CBB связан с окислением сульфидов и ассимиляцией. снижение нитратов. Окисление сульфидов является жизненно важным процессом в химически богатой среде гидротермальных источников, где сульфиды в изобилии. Связывая цикл CBB с окислением сульфидов, симбионты могут эффективно использовать химическую энергию, доступную в окружающей среде, для фиксации углерода.

Дополнительные пути

Одним из наиболее интригующих результатов исследования стала взаимодополняющая природа этих двух путей. Цикл rTCA, по-видимому, особенно важен в условиях, когда сульфид и кислород ограничены. Это было подчеркнуто идентификацией гидрогеназы группы 1e, которая, наряду с циклом rTCA, играет решающую роль в физиологическом ответе на такие ограничения. Такая гибкость дает значительное преимущество, позволяя трубчатым червям процветать в сильно изменчивых условиях гидротермальных источников.

Чистая скорость фиксации углерода, измеренная во время исследования, была исключительно высокой, что обеспечило быстрый рост и выживание Riftia. pachyptila в своей среде обитания. Двойные пути фиксации углерода — каждый из которых оптимизирован для различных условий окружающей среды — могут позволить симбионтам поддерживать метаболическую стабильность во время изменений окружающей среды.

Последствия и будущие исследования

Анализ этих двойных путей фиксации углерода и их скоординированной регуляции в Riftia открывает новые возможности для исследований в области биологического улавливания углерода, а также фундаментальной биохимии. Эти знания могут иметь практическое применение в биотехнологии, где принципы этих путей могут быть использованы для разработки более эффективных систем фиксации углерода. Более того, понимание того, как регулируются эти пути, может дать представление об эволюции метаболического разнообразия и адаптации в экстремальных условиях.

«Это исследование действительно прокладывает путь для будущих исследований и понимания того, как эти двойные пути позволяют это сделать. организму, чтобы фиксировать это количество углерода», — сказал Митчелл.

Дополнительная информация: Джессика Х. Митчелл и др., Анализ совместной экспрессии выявляет различные альянсы вокруг два пути фиксации углерода у симбионтов гидротермальных жерл, Nature Microbiology (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01704-y

Информация журнала: Природная микробиология

Предоставлено Гарвардским университетом

Новости сегодня

Последние новости