Нефтегазовые микробы
Некоторые микробы-археи умеют самостоятельно перерабатывать нефтяные углеводороды в метан.
Наверно, нет такой органики, которую микробы не могли съесть, хотя иногда им приходится для этого звать кого-нибудь на помощь. Например, есть бактерии, расщепляющие нефтяные углеводороды-алканы — большие молекулы с длинной цепочкой из углеродных атомов, к которым присоединены атомы водорода. Но в месторождениях нефти, где живут такие бактерии, нет кислорода. Поэтому, когда они расщепляют углеводороды, они останавливаются на промежуточном соединении — уксусной кислоте; попутно ещё образуется водород Н2. Если бы вокруг был кислород, уксусную кислоту можно было бы переработать дальше, разрушить её химические связи и высвободившуюся энергию запасти в виде АТФ — высокоэнергетической молекулы, которую используют едва ли не все живые клетки на земле.
Но кислорода в подземной нефти нет, а накапливающаяся уксусная кислота может сильно испортить жизнь. И тут нефтепоедающим бактериям приходят на помощь археи — тоже микробы, но из другого домена жизни. Одни археи поглощают уксусную кислоту и превращают её в углекислый газ и метан, другие подхватывают этот углекислый газ и водород, образовавшийся при бактериальном расщеплении нефтяных углеводородов, и превращают их в метан и воду. Любая живая клетка получает энергию в ходе окислительно-восстановительных реакций, и некоторые группы архей научились выполнять эти реакции с водородом, углекислым газом и некоторыми органическими веществами, вроде уксусной кислоты. Поскольку в качестве побочного продукта получается метан, такие археи назвали метаногенами.
То есть нефть поедают трое микробов-сотрапезников: бактерии, перерабатывающие очень большие углеводороды в очень маленькую уксусную кислоту и водород, и две разновидности архей, которые освоили особые окислительно-восстановительные реакции. Если бы какая-нибудь архея научилась иметь дело с большими органическими молекулами, она могла бы всё это делать сама. Но до сих пор считалось, что археи-метаногены способны работать только с ограниченным набором маленьких органических молекул.
Однако со временем стали появляться данные, указывавшие на то, что на свете есть археи-метаногены, способные «в одно лицо» расщеплять нефтяные углеводороды и, вероятно, длинные жирные кислоты. Два года назад мы писали, что их обнаружили на дне Мексиканского залива. Их назвали Candidatus Methanoliparia — нужно уточнить, что это название не какого-то одного вида, а группы архей, объединённых одинаковыми биохимическими свойствами. Поскольку они требуют особых условий, изучать их в лаборатории очень непросто. Тем не менее, сотрудники одного из институтов Министерства сельского хозяйства и природопользования Китая, Китайской нефтяной и химической корпорации SINOPEC и Института микробиологии моря Общества Макса Планка научились их выращивать. Археи, взятые из нефтяного месторождения Шэнли, жили в лаборатории при температуре от 35 °C до 65 °C без кислорода и вообще каких-либо неорганических веществ, которые могли бы участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. В результате, как говорится в статье в Nature, все длинные углеводороды-алканы из нефтяной питательной смеси исчезли, а взамен появилось много метана.
В микробном сообществе нефтяного месторождения были не только археи, но и нефтеперерабатывающие бактерии, и возникает вопрос, может быть, эти бактерии приняли самое активное участие в превращении нефти в метан. Однако исследователи несколько раз пересаживали микробов в новую питательную среду, и в конце концов уровень бактерий снизился менее чем до 0,1% от всех микроорганизмов, а вот нефтеперерабатывающих архей-«индивидуалистов» Candidatus Methanoliparia стабильно оставалось около 40%, и расщепление углеводородов продолжалось со стабильной интенсивностью.
Клетки Candidatus Methanoliparia не связывают себя с клетками других микробов, и их гены не кодируют никаких ферментов и вообще белков, которые нужны, чтобы объединять биохимические реакции и транспорт электронов с микробами коллегами — что лишний раз доказывает, что Candidatus Methanoliparia способны всю «нефтегазовую» биохимию выполнять сами. При этом, с одной стороны, они уместили в себе те биохимические реакции, которые нефтеперерабатывающие бактерии и дружественные им археи выполняют порознь. С другой стороны, расщепление длинных алканов начинается у Candidatus Methanoliparia с помощью фермента, который до сих пор видели у других архей — они перерабатывают короткие алканы и не производят метан. То есть метаногенные археи, имеющие дело с длинными углеводородами, научились использовать биохимические инструменты, свойственные неметаногенным археям, питающимся короткими углеводородами. Причём инструмент для коротких алканов Candidatus Methanoliparia используют только для переработки длинных — если им в питательную среду дать небольшие углеводороды, Candidatus Methanoliparia их не тронут. Всё это лишний раз иллюстрирует, насколько изобретательными и пластичными в смысле метаболизма могут быть археи с бактериями.
Нельзя сказать, что в биохимии Candidatus Methanoliparia всё ясно, но, по крайней мере, их стало возможным выращивать в лаборатории, а значит, изучать их теперь будет проще. Может быть, их смогут приспособить для ликвидации экологических загрязнений, вроде нефтяных разливов, а может быть, они найдут применение в нефтеперерабатывающей промышленности, если только их использование окажется экономически оправданным.
26 декабря 2021
Статьи по теме:
