Methanosarcina - Methanosarcina

Methanosarcina
Methanosarcina barkeri fusaro.gif
Methanosarcina barkeri fusaro
Научная классификация
Домен:
Археи
Королевство:
Euryarchaeota
Тип:
Euryarchaeota
Учебный класс:
Метаномикробия
Заказ:
Methanosarcinales
Семья:
Methanosarcinaceae
Род:
Methanosarcina
Биномиальное имя
Methanosarcina
Клюйвер и ван Ниль 1936
Разновидность

Methanosarcina это род эвриархеот археи которые производят метан. Эти одноклеточные организмы известны как анаэробный метаногены которые производят метан с использованием всех трех метаболических путей для метаногенез. Они живут в различных средах, где они могут оставаться в безопасности от воздействия кислорода, будь то на поверхности земли, в грунтовых водах, в глубоководных жерлах и в пищеварительных трактах животных. Methanosarcina растут колониями.

Аминокислота пирролизин был впервые обнаружен в Methanosarcina разновидность, М. баркери. Примитивные версии гемоглобин были найдены в М. acetivorans, предполагая, что микроб или его предок, возможно, сыграли решающую роль в эволюции жизни на Земле. Виды Methanosarcina также известны необычно большими геномами. М. acetivorans имеет самый большой известный геном среди всех архей.

Согласно теории, опубликованной в 2014 году, Methanosarcina могли быть в значительной степени ответственны за крупнейшее событие вымирания в истории Земли, Пермско-триасовое вымирание. Теория предполагает, что приобретение нового метаболического пути через перенос генов с последующим экспоненциальное воспроизведение позволили микробу быстро потреблять огромные отложения органического углерода в морских отложениях, что привело к резкому накоплению метана и углекислого газа в океанах и атмосфере Земли, в результате чего погибло около 90% всех видов в мире. Эта теория могла бы лучше объяснить наблюдаемый уровень изотопов углерода в отложениях того периода, чем другие теории, такие как вулканическая активность.

Methanosarcina используется для очистки сточных вод с середины 1980-х годов. Исследователи искали способы использовать его в качестве альтернативного источника энергии. Methanosarcina штаммы выращивали в одноклеточной морфологии (Sowers et al. 1993 г. ) при 35 ° C в среде HS-бульона, содержащей 125 мМ метанола плюс 40 мМ ацетата натрия (среда HS-MA).

Обзор

Methanosarcina может быть единственным известным анаэробный метаногены которые производят метан с использованием всех трех известных метаболических путей для метаногенез. Метаногенез имеет решающее значение для отрасли по переработке отходов, и метан, получаемый биологическим путем, также представляет собой важный альтернативный источник топлива. Большинство метаногенов производят метан из углекислый газ и водород газ. Другие используют ацетат в ацетокластический путь. Помимо этих двух путей, виды Methanosarcina может также метаболизировать метилированные одноуглеродные соединения через метилотрофный метаногенез. Такие одноуглеродные соединения включают метиламины, метанол, и метилтиолы.[1] Только Methanosarcina виды обладают всеми тремя известными путями метаногенеза и способны использовать не менее девяти метаногенных субстратов, включая ацетат.

Methanosarcina являются самыми разнообразными метаногенами в мире с точки зрения экология. Они обнаруживаются в таких средах, как свалки, отвалы сточных вод, глубоководные жерла, глубокие подземные грунтовые воды и даже в кишечнике множества различных копытные, включая коров, овец, коз и оленей.[1] Methanosarcina также были обнаружены в пищеварительном тракте человека.[2] М. баркери может выдерживать резкие перепады температур и длительное время обходиться без воды. Он может потреблять различные соединения или выжить только за счет водорода и углекислого газа.[3] Он также может выжить в условиях низкой pH среды, которые обычно опасны для жизни.[4] Отмечая его чрезвычайную универсальность, биолог Кевин Сауэрс предположил, что М. баркери мог даже выжить на Марсе.[3] Methanosarcina растут колониями и демонстрируют примитивную клеточную дифференцировку.[1]

В 2002 году аминокислота пирролизин был обнаружен в М. баркери к Государственный университет Огайо исследователи.[5] Более раннее исследование группы показало, что ген в М. баркери имел в оправе янтарь (UAG) кодон это не сигнализировало об окончании белка, как обычно ожидалось. Такое поведение предполагало возможность существования неизвестной аминокислоты, что было подтверждено в течение нескольких лет путем разрезания белка на пептиды и упорядочивая их. Пирролизин был первой генетически кодируемой аминокислотой, обнаруженной с 1986 года, и 22-й в целом.[6] Впоследствии он был обнаружен во всей семье Methanosarcinaceae а также в одной бактерии, Desulfitobacterium hafniense.

Обе М. acetivorans и М. mazei имеют исключительно большие геномы. По состоянию на август 2008 г. М. acetivorans обладал самым большим секвенированным геномом архей с 5,751,492 пар оснований. Геном М. mazei имеет 4 096 345 пар оснований.[1]

Methanosarcina клеточные мембраны состоят из относительно коротких липидов, в основном из углеводородов C25 и простых эфиров C20. Большинство других метаногенов содержат углеводороды C30 и смесь простых эфиров C20 и C40.[7][8]

Роль в раннем развитии жизни на Земле

В 2004 году две примитивные версии гемоглобин были обнаружены в М. acetivorans и еще один археон, Аэропирум перникс.[9] Известный как протоглобины эти глобины связываются с кислородом так же, как и гемоглобин. В М. acetivorans, это позволяет удалить нежелательный кислород, который в противном случае был бы токсичным для этого анаэробного организма. Таким образом, протоглобины могли проложить путь для эволюции более поздних форм жизни, которые зависят от кислорода.[10] После Большое событие оксигенации, когда в атмосфере Земли появился свободный кислород, способность перерабатывать кислород привела к широкому распространению радиация жизни, и является одним из самых фундаментальных этапов эволюции форм жизни на Земле.[9]

Вдохновлен М. acetivorans, команда Penn State исследователи во главе с Джеймсом Дж. Ферри и Кристофером Хаусом предложили новую «термодинамическую теорию эволюции» в 2006 году. Было замечено, что М. acetivorans превращает окись углерода в ацетат, ученые предположили, что ранние «прото-клетки», прикрепленные к минералу, могли аналогичным образом использовать примитивные ферменты для выработки энергии при выделении ацетата. Таким образом, теория стремилась объединить «гетеротрофную» теорию ранней эволюции, в которой исконный суп Простые молекулы возникли в результате небиологических процессов и «хемоавтотрофной» теории, согласно которой самые ранние формы жизни создали самые простые молекулы. Авторы заметили, что, хотя «споры между теориями гетеротрофов и хемотрофов вращались вокруг фиксации углерода», на самом деле «эти пути сначала эволюционировали, чтобы производить энергию. Затем они эволюционировали, чтобы фиксировать углерод».[2] Ученые также предложили механизмы, которые позволили бы связанной с минералами прото-клетке стать свободноживущей и для эволюции метаболизма ацетата в метан, используя те же энергетические пути. Они предположили, что М. acetivorans была одной из первых форм жизни на Земле, прямым потомком ранних прото-клеток. Исследование опубликовано в Молекулярная биология и эволюция в июне 2006 г.[2]

Недавно исследователи предложили гипотезу эволюции ацетаткиназа и фосфоацетилтрансфераза с геномными данными из Methanosarcina.[11] Ученые предполагают ацетаткиназа может быть уркиназой в суперсемействе основных белков, которое включает актин.[12] Факты свидетельствуют о том, что ацетаткиназа возникла в древние времена. галофильный Methanosarcina геном через дупликацию и расхождение ген ацетил-коА-синтетазы.[11]

Роль в пермско-триасовом вымирании

Было высказано предположение, что Метаносарцины производство метана могло быть одной из причин Пермско-триасовое вымирание. По оценкам, 70% панцирей погибло от закисления океана из-за перенаселения Methanosarcina.[13] Исследование, проведенное китайскими и американскими исследователями, подтверждает эту гипотезу. Используя генетический анализ около 50 Methanosarcina геномов, команда пришла к выводу, что микроб, вероятно, приобрел способность эффективно потреблять ацетат с помощью ацетаткиназа и фосфоацетилтрансфераза примерно 240 ± 41 миллион лет назад,[а] примерно во время вымирания 252 миллиона лет назад.[13] Гены этих ферментов могли быть получены от бактерий, разлагающих целлюлозу, через передача гена.[14]

Ученые пришли к выводу, что эти новые гены в сочетании с широко доступными органический углерод отложения в океане и обильный запас никель,[b] допустимый Methanosarcina популяции резко увеличиться. По их теории, это привело к выбросу большого количества метана в виде отходов.[14] Затем часть метана разложилась бы на углекислый газ другими организмами.[15] Накопление этих двух газов привело бы к резкому снижению уровня кислорода в океане, а также к увеличению кислотность. Климат земли одновременно испытает повышение температуры и значительное изменение климата в результате выброса этих парниковых газов в атмосферу. Возможно, накопление диоксида углерода и метана в атмосфере в конечном итоге привело к выбросу сероводород газ, что еще больше подчеркивает земную жизнь. Выводы команды были опубликованы в Труды Национальной академии наук в марте 2014 г.[13]

Сторонники микробной теории утверждают, что она лучше объясняет быстрое, но непрерывное повышение уровня изотопов углерода в отложениях периодических отложений, чем извержение вулкана, которое вызывает всплеск уровня углерода с последующим медленным снижением.[14] Теория микробов предполагает, что вулканическая активность играла иную роль - поставляя никель, который Methanosarcina требуется как кофактор. Таким образом, теория микробов утверждает, что Сибирский вулканическая активность была катализатором, но не главной причиной массового вымирания.[16]

Использование людьми

В 1985 г. Строительство Симидзу разработал биореактор который использует Methanosarcina для очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности и бумажных фабрик. Вода подается в реактор, где микробы разрушают частицы отходов. Метан, производимый бактериями, затем используется для питания реактора, что делает его дешевым в эксплуатации. В тестах Methanosarcina снизила концентрацию отходов с 5 000–10 000 частей на миллион (ppm) до 80–100 ppm. Для завершения очищения требовалось дальнейшее лечение.[17] Согласно отчету 1994 г. Химия и промышленность, биореакторы, использующие анаэробное сбраживание Methanothrix soehngenii или же Methanosarcina производит меньше побочных продуктов ила, чем аэробные аналоги. Methanosarcina реакторы работают при температурах от 35 до 55 ° C и pH 6,5-7,5.[18]

Исследователи искали способы использовать Метаносарцины способность производить метан в более широком смысле в качестве альтернативного источника энергии. В декабре 2010 г. Университет Арканзаса исследователи успешно сращенный ген в М. acetivorans Это позволило ему сломаться сложные эфиры. Они утверждали, что это позволит более эффективно преобразовывать биомассу в метан для производства электроэнергии.[19] В 2011 году было показано, что большая часть метана, образующегося при разложении на полигонах, поступает из М. баркери. Исследователи обнаружили, что микроб может выжить в средах с низким pH и потребляет кислоту, тем самым повышая pH и позволяя процветать более широкому кругу форм жизни. Они утверждали, что их открытия могут помочь ускорить исследования по использованию метана, генерируемого археями, в качестве альтернативного источника энергии.[4]

Примечания

  1. ^ Это значение является приблизительной датой последнего общего предка этих Methanosarcina штаммы, способные легко расти на ацетате.
  2. ^ Кофермент никель-тетрапиррол, кофактор F430, присутствует в метил коэнзим М редуктаза, которая катализирует заключительную стадию высвобождения метана метаногенами.

Рекомендации

  1. ^ а б c d Галаган, Дж. Э .; Nusbaum, C .; Рой, А .; Endrizzi, M. G .; MacDonald, P .; Fitzhugh, W .; Calvo, S .; Энгельс, Р .; Смирнов, С .; Атнор, Д .; Браун, А .; Allen, N .; Naylor, J .; Stange-Thomann, N .; Деареллано, К .; Johnson, R .; Linton, L .; McEwan, P .; McKernan, K .; Talamas, J .; Tirrell, A .; Ye, W .; Циммер, А .; Barber, R.D .; Cann, I .; Graham, D.E .; Grahame, D.A .; Guss, A. M .; Hedderich, R .; Ингрэм-Смит, К. (2002). «Геном M. Acetivorans обнаруживает обширное метаболическое и физиологическое разнообразие». Геномные исследования. 12 (4): 532–542. Дои:10.1101 / гр 223902. ЧВК  187521. PMID  11932238.
  2. ^ а б c «Отрыгающие метаном насекомые вдохновляют на новую теорию происхождения жизни на Земле». Space Daily. 15 мая 2006 г.
  3. ^ а б Майкл Ширбер (14 июля 2009 г.). «Разыскиваются: спокойные марсианские соседи по комнате». Space Daily.
  4. ^ а б «Исследователи ID Microbe Responsible for Methane from Landfill» (пресс-релиз). Государственный университет Северной Каролины - Роли. 6 апреля 2011 г.
  5. ^ «Научная тетрадь». Вашингтон Пост. 27 мая 2002 г. с. A09.
  6. ^ «Обнаружена новая аминокислота». Прикладная генетика. 22 (11). Июнь 2002 г.
  7. ^ Ян Керман. "Methanosarcina barkeri". Получено 9 апреля, 2014.
  8. ^ Г. Д. Спротт; К. Дж. Дикэр; Г. Б. Патель (1994). «Эфирные липиды Methanosarcina mazei и других видов Methanosarcina по сравнению с масс-спектрометрией с бомбардировкой быстрыми атомами». Канадский журнал микробиологии. 40 (10): 837–843. Дои:10,1139 / м94-133.
  9. ^ а б «Древнейшие предки гемоглобина предлагают ключи к разгадке древнейшей жизни, основанной на кислороде» (пресс-релиз). Национальный научный фонд. 20 апреля 2004 г.
  10. ^ «Ученые находят примитивные гемоглобины». UPI. 20 апреля 2004 г.
  11. ^ а б «Потенциальная роль ацетил-КоА синтетазы (acs) и малатдегидрогеназы (mae) в эволюции ацетатного переключателя у бактерий и архей: научные отчеты». www.nature.com. Получено 2015-09-28.
  12. ^ Buss, K. A .; Купер, Д. Р .; Ingram-Smith, C .; Ferry, J. G .; Сандерс, Д. А .; Хассон, М. С. (01.01.2001). «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. ЧВК  94925. PMID  11133963.
  13. ^ а б c Ротман, Д. Х .; Fournier, G.P .; French, K. L .; Alm, E.J .; Boyle, E.A .; Cao, C .; Вызов, Р. Э. (31 марта 2014 г.). «Метаногенный взрыв в конце пермского цикла углерода». Труды Национальной академии наук. 111 (15): 5462–7. Bibcode:2014ПНАС..111.5462Р. Дои:10.1073 / pnas.1318106111. ЧВК  3992638. PMID  24706773.
  14. ^ а б c Стив Коннор (31 марта 2014 г.). «Вулканы? Метеоры? Нет, самое страшное массовое вымирание в истории - Великое вымирание - могло быть вызвано сексом между микробами». независимый. Получено 31 марта, 2014.
  15. ^ Лаура Даттаро (31 марта 2014 г.). «Крупнейшее вымирание в истории Земли, вызванное микробами, как показывают исследования». Канал о погоде. Получено 31 марта, 2014.
  16. ^ Уилл Данэм (31 марта 2014 г.). «Микроб, извергающий метан, обвиняется в наихудшем массовом вымирании на Земле». Рейтер. Получено 31 марта, 2014.
  17. ^ «Симидзу разрабатывает дешевую и простую технику очистки сточных вод». Японский экономический журнал. 18 июня 1985 г. Раздел «Химия и текстиль», стр. 17.
  18. ^ «Анаэробные биореакторы становятся экономичными». Водные Технологии. 2 (4). Июль 1994 г.
  19. ^ "Исследователи-разработчики нового пути производства метана в микрооганизме" (пресс-релиз). Университет Арканзаса. 8 декабря 2010 г.

внешняя ссылка