Исследователям пришлось проявить большое терпение в разгадывании тайны анаэробной деградации насыщенных углеводородов. В 2002 году микробиолог UFZ доктор Флорин Мусат, который в то время проводил исследования в Институте морской микробиологии им. Макса Планка в Бремене, получил образец донных отложений из Мексиканского залива. Проба была отобрана из выходов природного газа на глубине более 500 метров.
Потребовалось более десяти лет культивирования, чтобы получить достаточное количество культуры, содержащей архей, в качестве основы для подробных экспериментов по расшифровке структуры и метаболизма микробного сообщества. Во время своих регулярных измерений Флорин Мусат обнаружил, что окисление этана связано с восстановлением сульфата до сероводорода. «В течение довольно долгого времени мы думали, что анаэробное разложение этана осуществляется бактериями аналогично разложению бутана или пропана, но мы не смогли идентифицировать продукты метаболизма, типичные для бактериального механизма окисления», – говорит Мусат.
Чтобы раскрыть секреты окисления этана, Мусат, работающий на УФЗ с 2014 года, использовал возможности технологической платформы ProVIS.
Центр химической микроскопии (ProVIS) объединяет в себе большое количество больших устройств, позволяя проводить эффективный, быстрый и чувствительный химический анализ биологических образцов, структур и поверхностей в нанометровом масштабе. Например, команда Мусата использовала флуоресцентную микроскопию, чтобы показать, что Candidatus Argoarchaeum ethanivorans составляет доминирующую долю культуры – около 65 процентов от общего числа клеток, тогда как две сульфатредуцирующие Deltaproteobacteria составляют около 30 процентов. Метаболиты и белки были охарактеризованы методами масс-спектрометрии высокого разрешения, а химический состав и пространственная организация отдельных микроорганизмов были определены с помощью гелий-ионной микроскопии и NanoSIMS.
Используя эти методы, исследователи продемонстрировали, что археи ответственны за окисление этана до диоксида углерода, а сопутствующие бактерии – за восстановление сульфата до сульфида.
Кроме того, они заметили, что Candidatus Argoarchaeum ethanivorans не образует агрегатов с бактериями-партнерами во время окисления этана, в отличие от культур, разлагающих метан, пропан или бутан. "Археон и два типа бактерий растут в основном как свободные клетки. Межклеточные связи с помощью нанопроводов, которые опосредуют перенос электронов, как показано на примере других культур, отсутствуют », – говорит Мусат.
По этой причине остается волнующий вопрос: как аргоархеи и бактерии взаимодействуют друг с другом?? Метагеномный анализ показал, что у архея нет известных генов восстановления сульфата. Это означает, что электроны от окисления этана должны передаваться сульфатредуцирующим бактериям.
Исследования, проведенные NanoSIMS, показали, что этот перенос потенциально может происходить через соединения серы. «Археи получают энергию от окисления этана в очевидно сложной синтрофии (сообщество перекрестных питателей) со своими сульфатредуцирующими партнерами», – говорит Мусат.
В поисках механизма переноса электронов команда Мусата исследовала культуру с помощью гелий-ионного микроскопа. Этот анализ привел к неожиданному открытию: Candidatus Argoarchaeum образует небольшие клеточные пузырьки, которые остаются прикрепленными в необычные крошечные кластеры, что указывает на то, что археи делятся почкованием.
Наконец, в геноме Candidatus Argoarchaeum ethanivorans ученые идентифицировали все гены, необходимые для функционального фермента, подобного метилкоэнзим М-редуктазе, который катализирует первый этап анаэробной деградации этана.
Используя масс-спектрометрию сверхвысокого разрешения, они также смогли найти продукт этого фермента, этилкофермент M. Дальнейшие анализы генома и протеома идентифицировали гены и ферменты для следующих реакций, таким образом расшифровывая полный метаболический путь:.
На сегодняшний день исследования анаэробного окисления этана носят в первую очередь фундаментальный характер.
Но сделав еще один шаг, результаты исследователей также могут быть полезны для промышленных приложений. «Теперь мы знаем о механизмах, лежащих в основе разложения короткоцепочечных углеводородов с помощью ‘алкил’-CoM редуктаз, и мы предполагаем, что обратные реакции могут быть возможны. Если будет продемонстрировано, это означает биотехнологии для производства углеводородов с использованием этих или подобных микроорганизмов », – говорит Мусат.
Это может означать начало новых биотехнологических применений для производства синтетического топлива, такого как, например, богатый энергией бутан. Бутан содержит больше энергии на литр и его намного легче сжижить, чем метан – концепция, которую Флорин Мусат и его команда будут отслеживать в будущих исследованиях.