Войти
| Methanosarcina | |
|---|---|
 | |
| Methanosarcina barkeri fusaro | |
| Научная классификация | |
| Домен: | Архей |
| Королевство: | Euryarchaeota |
| Тип: | Euryarchaeota |
| Класс: | Метаномикробия |
| Порядок: | Methanosarcinales |
| Семья: | Methanosarcinaceae |
| Род: | Methanosarcina |
| Биномиальное имя | |
| Methanosarcina Клюйвер и ван Ниль 1936 | |
| Разновидность | |
Methanosarcina - это род архей- эвриархеот, производящих метан. Эти одноклеточные организмы известны как анаэробные метаногены, которые производят метан, используя все три метаболических пути для метаногенеза. Они живут в разнообразных средах, где они могут оставаться в безопасности от воздействия кислорода, будь то на поверхности земли, в грунтовых водах, в глубоководных жерлах и в пищеварительном тракте животных. Methanosarcina растут колониями.
Аминокислота пирролизин была впервые обнаружена у вида Methanosarcina, M. barkeri. Примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans, что позволяет предположить, что микроб или его предок могли сыграть решающую роль в эволюции жизни на Земле. Виды Methanosarcina также отличаются необычно большими геномами. M. acetivorans имеет самый крупный из известных геномов среди всех архей.
Согласно теории, опубликованной в 2014 году, Methanosarcina могла быть в значительной степени ответственна за крупнейшее событие вымирания в истории Земли - пермско-триасовое вымирание. Теория предполагает, что приобретение нового метаболического пути через перенос генов с последующим экспоненциальным воспроизводством позволило микробам быстро потреблять огромные отложения органического углерода в морских отложениях, что привело к резкому накоплению метана и углекислого газа в океанах и атмосфере Земли, что привело к гибели около 90% видов в мире. Эта теория могла бы лучше объяснить наблюдаемый уровень изотопов углерода в отложениях того периода, чем другие теории, такие как вулканическая активность.
Метаносарцина используется для очистки сточных вод с середины 1980-х годов. Исследователи искали способы использовать его в качестве альтернативного источника энергии. Штаммы Methanosarcina выращивали с одноклеточной морфологией ( Sowers et al. 1993 ) при 35 ° C в среде HS-бульона, содержащей 125 мМ метанола плюс 40 мМ ацетата натрия (среда HS-MA).
Methanosarcina может быть единственным известным анаэробным метаногеном, который производит метан с использованием всех трех известных метаболических путей для метаногенеза. 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 углекислого газа и газообразного водорода. Другие используют ацетат в ацетокластическом пути. В дополнение к этим двум путям, виды Methanosarcina могут также метаболизировать метилированные одноуглеродные соединения посредством метилотрофного метаногенеза. Такие одноуглеродные соединения включают метиламины, метанол и метилтиолы. Только виды Methanosarcina обладают всеми тремя известными путями метаногенеза и способны использовать не менее девяти метаногенных субстратов, включая ацетат.
Метаносарцины - самые разнообразные метаногены в мире с точки зрения экологии. Они встречаются в таких средах, как свалки, свалки, глубоководные жерла, глубокие подземные грунтовые воды и даже в кишечнике многих копытных, включая коров, овец, коз и оленей. Метаносарцины также были обнаружены в пищеварительном тракте человека. M. barkeri может выдерживать резкие колебания температуры и длительное время обходиться без воды. Он может потреблять различные соединения или существовать исключительно за счет водорода и углекислого газа. Он также может выжить в средах с низким pH, которые обычно опасны для жизни. Отмечая его чрезвычайную универсальность, биолог Кевин Сауэрс предположил, что M. barkeri может выжить даже на Марсе. Methanosarcina растут колониями и демонстрируют примитивную клеточную дифференцировку.
В 2002 году исследователи из Университета штата Огайо обнаружили в M. barkeri аминокислоту пирролизин. Более раннее исследование группы показало, что ген M. barkeri имеет кодон янтаря в рамке считывания (UAG), который не сигнализирует 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 их секвенирования. Пирролизин был первой генетически-кодируемой аминокислотой, обнаруженной с 1986 года, и 22-й в целом. Впоследствии он был обнаружен в семействе Methanosarcinaceae, а также в одной бактерии Desulfitobacterium hafniense.
И M. acetivorans, и M. mazei имеют исключительно большие геномы. По состоянию на август 2008 г. M. acetivorans обладал наибольшим секвенированным геномом архей с 5 751 492 парами оснований. В геноме M. mazei 4 096 345 пар оснований.
Клеточные мембраны Methanosarcina 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.
В 2004 году две примитивные версии гемоглобина были обнаружены у M. acetivorans и другого архея, Aeropyrum pernix. Эти глобины, известные как протоглобины, связываются с кислородом так же, как и гемоглобин. У M. 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. После Великого события оксигенации, когда в атмосфере Земли появился свободный кислород, способность обрабатывать кислород привела к широко распространенному излучению жизни и является одним из самых фундаментальных этапов в эволюции форм жизни на Земле.
Вдохновленная M. acetivorans, группа исследователей из Пенсильванского университета во главе с Джеймсом Дж. Ферри и Кристофером Хаусом в 2006 году предложила новую «термодинамическую теорию эволюции». Было обнаружено, что M. 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 изначальный суп из простых молекул возник в результате небиологических процессов, и «хемоавтотрофную» теорию, согласно которой самые ранние формы жизни создавали 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». Далее ученые 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 M. acetivorans была одной из первых форм жизни на Земле, прямым потомком ранних прото-клеток. Исследование было опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution в июне 2006 года.
Недавно исследователи предложили гипотезу эволюции ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы с геномными данными Methanosarcina. Ученые предполагают , что ацетаткиназа может быть уркиназой в суперсемействе основных белков, в которое входит актин. Данные свидетельствуют о том, что ацетаткиназа эволюционировала в древнем галофильном геноме Methanosarcina в результате дупликации и дивергенции гена ацетил-коА-синтетазы.
Было высказано предположение, что производство метана Methanosarcina могло быть одной из причин пермско-триасового вымирания. Подсчитано, что 70% панцирей погибло от закисления океана из-за перенаселенности Methanosarcina. Исследование, проведенное китайскими и американскими исследователями, подтверждает эту гипотезу. Используя генетический анализ около 50 геномов Methanosarcina, команда пришла к выводу, что микроб, вероятно, приобрел способность эффективно потреблять ацетат с помощью ацетаткиназы и фосфоацетилтрансферазы примерно 240 ± 41 миллион лет назад, примерно во время события вымирания 252 миллиона лет назад. Гены этих ферментов могли быть получены от бактерий, разлагающих целлюлозу, посредством переноса генов.
Ученые пришли к выводу, что эти новые гены в сочетании с широко доступными отложениями органического углерода в океане и обильным запасом никеля позволили резко увеличить популяцию Methanosarcina. По их теории, это привело к выбросу большого количества метана в виде отходов. Затем часть метана разложилась бы на углекислый газ другими организмами. Накопление этих двух газов привело бы к резкому снижению уровня кислорода в океане, а также к увеличению кислотности. Климат Земли одновременно испытает повышение температуры и значительное изменение климата в результате выброса этих парниковых газов в атмосферу. Возможно, накопление углекислого газа и метана в атмосфере в конечном итоге привело к выделению сероводорода, что еще больше усложнило жизнь на Земле. Выводы команды были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences в марте 2014 года.
Сторонники микробной теории утверждают, что она лучше объясняет быстрое, но непрерывное повышение уровня изотопов углерода в осадочных отложениях того времени, чем извержение вулкана, которое вызывает резкий скачок уровня углерода с последующим медленным снижением. Теория микробов предполагает, что вулканическая активность играла иную роль - поставляя никель, который Methanosarcina требовался в качестве кофактора. Таким образом, теория микробов утверждает, что сибирская вулканическая активность была катализатором, но не главной причиной массового вымирания.
В 1985 году компания Shimizu Construction разработала биореактор, в котором метаносарцина используется для очистки сточных вод заводов пищевой и бумажной промышленности. Вода подается в реактор, где микробы разрушают частицы отходов. Метан, производимый бактериями, затем используется для питания реактора, что делает его дешевым в эксплуатации. В ходе испытаний Methanosarcina снизила концентрацию отходов с 5 000–10 000 частей на миллион (ppm) до 80–100 ppm. Для завершения очищения требовалось дальнейшее лечение. Согласно отчету журнала Chemistry and Industry за 1994 год, биореакторы, использующие анаэробное сбраживание с помощью Methanothrix soehngenii или Methanosarcina, производили меньше побочных продуктов ила, чем аэробные аналоги. Реакторы с метаносарцином работают при температурах от 35 до 55 ° C и pH 6,5-7,5.
Исследователи искали способы более широкого использования метанопроизводящих способностей Methanosarcina в качестве альтернативного источника энергии. В декабре 2010 года исследователи из Университета Арканзаса успешно встроили ген в M. acetivorans, что позволило ему расщеплять сложные эфиры. Они утверждали, что это позволит более эффективно преобразовывать биомассу в метан для производства электроэнергии. В 2011 году было показано, что большая часть метана, образующегося при разложении на свалках, поступает от M. barkeri. 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 результаты могут помочь ускорить исследования по использованию метана, генерируемого археями, в качестве альтернативного источника энергии.
