Зачем ученые выращивают камни в чашках Петри?
Одним из ограничивающих жизнь факторов является соль. Она заставляет воду покидать клетки, из-за чего они скукоживаются и погибают. И можно подумать, что в соляных растворах никто не может выжить.
Но есть особый вид одноклеточных доядерных организмов, который не только может выживать в солëной среде, но и процветать в ней. Эти существа называются солелюбивыми археями – галоархеями.
Галоархеи живут в очень экстремальных условиях. Насыщенные соляные растворы содержат мало растворëнного кислорода, необходимого для клеточного дыхания. Поверхность солëных вод подвергается воздействию высоких температур и солнечной радиации, из-за чего вода может испаряться. Во время испарения всё содержимое рассола, включая соли, органику, некоторые атмосферные газы и любые присутствующие микроорганизмы, оказывается запертым внутри включений в кристаллах соли.
Учёные находили архей в каменной соли (галите) возрастом от нескольких месяцев до нескольких сотен миллионов лет!
Представьте, каково это – жить годами без воды!
Ученые сразу заинтересовались, могут ли археи и правда выживать годами без воды. Так как возраст галита определялся по геологическим принципам, возникал вопрос: действительно ли это «древние» клетки? Ни один из известных на сегодняшний день механизмов выживания микроорганизмов не может объяснить жизнеспособность клеток на протяжении миллионов лет в кристаллах соли.
Поэтому, чтобы отсеять загрязнения, были разработаны соответствующие процедуры стерилизации и очистки поверхности кристаллов соли для выращивания микроорганизмов из растворённого древнего галита. Но это не решало проблемы растворения и перекристаллизации галита, когда он мог заключить в себя более современные микроорганизмы.
В других исследованиях рассматривается возможность того, что это не археи вовсе, а биоморфы (органика), похожие на микробные клетки, которые сохраняются в рассольных включениях.
Чтобы подтвердить, что это действительно древние археи, учёным нужно провести исследования, но это не так просто. Закрытая система рассольных включений в галите сопряжена со значительными техническими трудностями. Если кристаллы быстро растворяются, то клетки подвергаются осмотическому шоку, и их биомолекулы разрушаются, что приводит к разрушению клеток. Если же растворить кристаллы медленно, то у клеток есть больше времени, чтобы приспособиться к изменяющейся среде. То есть у них есть время, чтобы изменить выражение генов и производство белков. Они выключат те гены, которые нужны для выживания в кристалле соли, и включат те, которые нужны для выживания в солёном растворе.
Ученых интересуют те гены и белки, которые позволяют выживать без воды, запертым в кристалле соли.
Также оборудование для масс-спектрометрического анализа не может выдержать большого количества соли, которая нужна для извлечения биомолекул из рассольных включений.
В качестве модельного организма выбрали галоархею Halobacterium salinarum. Её можно найти и в современных водных средах, насыщенных хлоридом натрия, таких как Большое Соленое озеро. Их также находили в древних галитах. Клетки этой галоархеи красные из-за белков, пронизывающих мембрану клетки, и из-за антиоксиданта – каротиноидов, которыми археи богаты.
Археи выживают в суперсолëной среде благодаря тому, что накапливают внутри клеток ионы калия и хлора, что помогает поддерживать осмотический гомеостаз – баланс концентраций воды и растворителей (солей) внутри клеток.
Эта архея предпочитает аэробное дыхание для энергетического метаболизма, но также может использовать свет для получения энергии, как фотосинтезирующий организм. Если же нет ни света, ни кислорода, архея Halobacterium salinarum может выживать за счет ферментации аминокислоты аргинина.
Тип энергетического метаболизма может изменяться, например, во время испарения воды. Тогда архея для получения энергии использует другие соединения в качестве приёмников электронов – диметилсульфоксид и триметиламиноксид.
Учёные дали археям высохнуть на кристаллах соли, а через два месяца после испарения собрали белки и проанализировали их.
Оказалось, что белки, участвующие в рибосомах в производстве других белков, резко уменьшились в количестве. Белки, которые помогают клеткам двигаться, такие как архаэлла (похожая на жгутики бактерий, обеспечивающая движение) и газовые везикулы (строения, которые помогают клеткам плавать), либо совсем не обнаруживались, либо встречались в гораздо меньшем количестве в клетках, находящихся в рассольных включениях. Также учёные нашли белки, присущие археям, только тогда, когда они росли в кристаллах соли.
Теперь остается выяснить, какие именно это белки, и, возможно, в далеком будущем мы тоже научимся выживать в солёных окружающих средах.
Источник:
Favreau, Charly, et al. «Molecular acclimation of Halobacterium salinarum to halite brine inclusions.» Frontiers in Microbiology 13 (2023): 1075274.
#Микробиология@inbioreactor
#Заметка@inbioreactor
Текст: #Дикарева@inbioreactor
Редактура: #vasiliskats@inbioreactor
#Наука #Научпоп