Это первый случай, когда прямой межвидовой перенос электронов — перемещение электронов из клетки через внешнюю среду к другому типу клеток — был зарегистрирован у микроорганизмов в природе.Результаты были опубликованы в номере журнала Nature от 16 сентября.
«Наша лаборатория интересуется микробными сообществами в окружающей среде и, в частности, симбиозом — или взаимовыгодными отношениями — между микроорганизмами, которые позволяют им катализировать реакции, которые они не смогли бы осуществить самостоятельно», — говорит профессор геобиологии. Виктория Орфан, которая провела недавнее исследование. В течение последних двух десятилетий лаборатория Орфана была сосредоточена на взаимоотношениях между видами бактерий и видами архей, которые живут в симбиотических агрегатах или консорциумах в глубоководных утечках метана.
Организмы работают вместе в синтрофии (что означает «совместное питание»), чтобы потреблять до 80 процентов метана, выбрасываемого со дна океана — метана, который в противном случае мог бы внести свой вклад в изменение климата в качестве парникового газа в нашей атмосфере.Ранее Орфан и ее коллеги внесли свой вклад в открытие этого микробного симбиоза, кооперативного партнерства между окисляющими метан археями, называемыми анаэробными метанотрофами (или «пожирателями метана»), и сульфатредуцирующими бактериями (организмами, которые могут «дышать» сульфатом вместо кислорода. ), что позволяет этим организмам потреблять метан, используя сульфат из морской воды. Однако было неясно, как эти клетки делятся энергией и взаимодействуют в симбиозе для выполнения этой задачи.
Поскольку эти микроорганизмы растут медленно (размножаются только четыре раза в год) и живут в тесном контакте друг с другом, исследователям было трудно изолировать их от окружающей среды, чтобы выращивать в лаборатории. Итак, команда Калифорнийского технологического института использовала исследовательский подводный аппарат под названием «Элвин» для сбора образцов, содержащих консорциумы окисляющих метан микробов из глубоководных отложений просачивающегося метана, а затем вернула их в лабораторию для анализа.
Исследователи использовали различные флуоресцентные окраски ДНК, чтобы отметить два типа микробов и изучить их пространственную ориентацию в консорциумах. В некоторых консорциумах Орфан и ее коллеги обнаружили, что бактериальные и архейные клетки хорошо перемешаны, в то время как в других консорциумах клетки одного типа были сгруппированы в отдельные области.Орфан и ее команда задались вопросом, влияет ли изменение пространственной организации бактерий и архей в этих консорциумах на их клеточную активность и их способность совместно потреблять метан.
Чтобы выяснить это, они применили стабильный изотопный «индикатор» для оценки метаболической активности. Количество изотопа, поглощенного отдельными архейными и бактериальными клетками в пределах их микробных «окрестностей» в каждом консорциуме, затем было измерено с помощью прибора высокого разрешения, называемого наноразмерной масс-спектрометрией вторичных ионов (nanoSIMS) в Калифорнийском технологическом институте.
Это позволило исследователям определить, насколько активны партнеры архей и бактерий по отношению к их расстоянию друг от друга.К своему удивлению, исследователи обнаружили, что пространственное расположение клеток в консорциумах не влияет на их активность. «Поскольку это синтрофные отношения, мы могли бы подумать, что клетки на границе раздела — там, где бактерии напрямую контактируют с археями — будут более активными, но мы не видим очевидной тенденции.
Что действительно примечательно, так это «Есть клетки, которые находятся на расстоянии многих клеток от ближайшего партнера, но все еще активны», — говорит Орфан.Чтобы выяснить, как бактерии и археи взаимодействовали, соавторы Грейсон Чедвик (BS ’11), аспирант по геобиологии в Калифорнийском технологическом институте и бывший научный сотрудник лаборатории Орфана, и Шон МакГлинн, бывший научный сотрудник, наняли пространственный статистика для поиска закономерностей клеточной активности для нескольких консорциумов с различным расположением клеток. Они обнаружили, что популяции синтрофных архей и бактерий в консорциумах имеют сходные уровни метаболической активности; когда одна популяция имела высокую активность, ассоциированные микроорганизмы-партнеры также были одинаково активны, что соответствовало благоприятному симбиозу.
Однако пристальный взгляд на пространственную организацию клеток показал, что никакое конкретное расположение двух типов организмов — будь то равномерно распределенные или в отдельных группах — не коррелировало с активностью клетки.Чтобы определить, как эти метаболические взаимодействия происходили даже на относительно больших расстояниях, доктор наук и соавтор Крис Кемпес, посетитель компьютерных и математических наук, смоделировал прогнозируемую взаимосвязь между клеточной активностью и расстоянием между синтрофическими партнерами, которые зависят от молекулярной диффузии субстрат.
Он обнаружил, что обычные метаболиты — молекулы, которые, как было предсказано ранее, участвуют в синтрофическом потреблении метана — такие как водород, — несовместимы с пространственными моделями активности, наблюдаемыми в данных. Однако пересмотренные модели показали, что электроны, вероятно, могут путешествовать от клетки к клетке на большие расстояния.«Крис разработал обобщенную модель окисляющей метан синтрофии, основанную на прямом переносе электронов, и результаты этой модели лучше соответствовали нашим эмпирическим данным», — говорит Орфан. «Это указывало на возможность того, что эти археи напрямую переносили электроны, полученные из метана, наружу клетки, и эти электроны передавались непосредственно бактериям».Руководствуясь этой информацией, Чедвик и МакГлинн искали независимые доказательства, подтверждающие возможность прямого межвидового переноса электронов.
Культивированные бактерии, например, из рода Geobacter, являются модельными организмами для процесса прямого переноса электронов. Эти бактерии используют на своей внешней поверхности большие белки, называемые мультигемными цитохромами, которые действуют как проводящие «провода» для переноса электронов.
Используя анализ генома, а также просвечивающую электронную микроскопию и краситель, который реагирует с этими мультигемными цитохромами, исследователи показали, что эти проводящие белки также присутствовали на внешней поверхности изучаемых ими архей. И это открытие, по словам Орфана, может объяснить, почему пространственное расположение синтрофных партнеров, похоже, не влияет на их отношения или активность.
«Это действительно один из первых примеров прямого межвидового переноса электронов, происходящего между некультивируемыми микроорганизмами в окружающей среде. Мы предполагаем, что это будет более распространенным явлением, чем считается в настоящее время», — говорит она.
Орфан отмечает, что информация, которую они узнали об этой взаимосвязи, поможет расширить представление исследователей о межвидовых микробных взаимодействиях в природе. Кроме того, микромасштабный подход к стабильным изотопам, используемый в данном исследовании, можно использовать для оценки межвидового переноса электронов и других форм микробного симбиоза, происходящего в окружающей среде.