Исследования могут пролить некоторый свет на извечный вопрос о том, как возникла жизнь, но они также имеют немного более практическое применение в поисках жизни в космосе, говорит старший автор Эрик Роден, профессор геолого-геофизических исследований в UW-Madison.Животные используют кислород и «восстанавливают» его для производства воды, но некоторые бактерии используют железо, которому не хватает электронов, превращая его в более богатую электронами форму элемента.
По иронии судьбы, формы железа, богатые электронами, также могут поставлять электроны в противоположной реакции «окисления», в которой бактерии буквально «съедают» железо для получения энергии.Железо является четвертым по распространенности элементом на планете, и поскольку свободного кислорода мало под водой и под землей, бактерии «придумали» или эволюционировали, другое решение: перевод электронов в железо при метаболизме органического вещества.Эти бактерии «поедают органические вещества, как и мы», — говорит Роден. «Мы передаем электроны от органического вещества к кислороду.
Некоторые из этих бактерий используют оксид железа в качестве акцептора электронов. С другой стороны, некоторые другие микробы получают электроны, подаренные другими соединениями железа. В обоих случаях перенос электронов важен для их энергии. циклы ".Независимо от того, является ли реакция окислением или восстановлением, способность перемещать электрон важна для бактерий, чтобы перерабатывать энергию, необходимую для их образа жизни.
Роден потратил десятилетия на изучение бактерий, метаболизирующих железо. «Я сосредотачиваюсь на деятельности и химической обработке микроорганизмов в природных системах», — говорит он. «Мы собираем материал из окружающей среды, доставляем его обратно в лабораторию и изучаем метаболизм с помощью ряда геохимических и микробиологических измерений».Текущие исследования сосредоточены на образцах бактерий из горячего источника Шоколадный горшок, относительно прохладного геотермального источника в Йеллоустонском национальном парке, названного в честь темного красновато-коричневого цвета оксида железа.
Связанные с этим исследования посвящены культуре, полученной из гораздо менее благоприятной среды — канавы в Германии. Оба исследования доступны в Интернете, в области прикладной микробиологии и экологической микробиологии и геобиологии.
Во время исследований Роден, докторант Натан Фортни и ученый-исследователь Шаомей Хе исследовали, как культивируемые организмы изменяют степень окисления — количество электронов — в соединениях железа. Они также использовали передовой инструмент для секвенирования генома в Биотехнологическом центре UW-Madison для идентификации цепочек ДНК в геномах.
«Более 99 процентов микробного разнообразия невозможно получить в чистой культуре», — говорит Хе, имея в виду, что их нельзя выращивать как один штамм для анализа. «Вместо того, чтобы проходить долгий, трудоемкий и часто безуспешный процесс выделения штаммов, мы применяем геномные инструменты, чтобы понять, как организмы делали то, что они делали в смешанных сообществах».Исследователи обнаружили несколько неизвестных бактерий, способных к метаболизму железа, а также получили генетические данные об уникальной способности, которой обладают некоторые из них: способность переносить электроны в обоих направлениях через внешнюю мембрану клетки. «Бактерии не только развили метаболизм, открывающий ниши для использования железа в качестве энергии, — говорит Хе, — но и эти новые механизмы переноса электронов дают им возможность использовать формы железа, которые не могут быть доставлены внутрь клетки».«Это фундаментальные исследования, но эти химические превращения лежат в основе всех видов экологических систем, связанных с почвой, отложениями, грунтовыми водами и сточными водами», — говорит Роден. «Например, Министерство энергетики заинтересовано в поиске способа получения энергии из органических веществ за счет деятельности бактерий, метаболизирующих железо». Эти бактерии также важны для живительного процесса выветривания горных пород в почву.
По словам Родена, бактерии, метаболизирующие железо, были известны уже столетие, и на самом деле они были обнаружены в грунтовых водах в районе Мэдисона. «Геологи видели организмы, которые сформировали эти уникальные структуры, которые были видны под световым микроскопом.
Они образовывали стебли или оболочки, и оказалось, что они использовались для перемещения железа».Роден и Хи — геобиологи, которых интересует, как микробы влияют на геологию, но значение микробов в эволюции Земли полностью осознается только сейчас, говорит Роден. «Брови поднялись, когда три или четыре года назад мы связались с Биотехнологическим центром, чтобы обсудить секвенирование:« Кто эти люди из геологии и о чем они говорят? » Но мы продолжали это делать, и это превратилось в довольно крутое сотрудничество, которое позволило нам применить их превосходные инструменты, которые чаще используются для решения биомедицинских и связанных с ними микробных проблем ».Некоторые из бактерий, метаболизирующих железо, появляются довольно рано на древе жизни, что делает исследования актуальными для выяснения происхождения жизни, но результаты также имеют значение для поиска жизни в космосе, говорит Роден. «Наша поддержка исходит от института астробиологии НАСА в UW-Madison. Возможно, что на такой каменистой планете, как Марс, жизнь могла бы полагаться на метаболизм железа, а не на кислород.
«Фундаментальный подход в астробиологии состоит в использовании земных участков в качестве аналогов, где мы ищем понимание возможностей других миров», — продолжает Роден. «Некоторые люди считают, что использование оксида железа в качестве акцептора электронов могло быть первой или одной из первых форм дыхания на Земле. А на каменистых планетах так много железа».