Микробы подводных вулканических хребтов пролили свет на эволюцию дыхания

Биологи впервые досконально изучили белковый комплекс MHB, выделенный из микроорганизма вида Pyrococcus furiosus. Этот фермент участвует в дыхании микроба. Исследование проливает свет на эволюцию аналогичного комплекса у человека. О достижении рассказывает научная статья, опубликованная в журнале Cell командой во главе с Хуэйлинь Ли (Huilin Li) из Института Ван Аделя, Франция.

Вид P. furiosus относится к археям. Эту группу прокариот когда-то относили к бактериям, но позже выделили в отдельное надцарство. Микроб обитает в горячих источниках на дне океана. Оптимальная температура для его роста составляет 100 ^oC, то есть данный организм относится к гипертермофилам.

Биологов давно интересует его дыхательная система. Поясним прежде всего, что дышать можно не только кислородом. Существует и анаэробное дыхание, служащее той же самой цели, что и обычное: извлечь из пищи энергию и запасти её в молекулах АТФ.

Представители вида P. furiosus в кислороде не нуждаются. Они используют уникальную "технологию": расщепляют молекулы воды и окисляют добытым кислородом полученный из пищи углерод. В результате микроб, "как и все нормальные люди", выдыхает углекислый газ, но вместе с ним ещё и свободный водород. Этим и объясняется интерес учёных к данной "особе": они рассчитывают приспособить этого представителя архей для синтеза экологически чистого топлива.

Упомянутый фермент MHB играет важную роль в этом процессе. Специалисты давно пришли к выводу, что это "родственник" комплекса I, отвечающего за дыхание человека. Обе молекулярные системы были унаследованы от общего предка, а затем их эволюционные пути разошлись.

Это очень интригующе, так как общий предок столь далёких друг от друга организмов, как люди и археи, должен быть близок к гипотетическому прародителю всего живого. При этом есть веские основания полагать, что MHB сохранил больше черт "прототипа", чем человеческий фермент.

Дело в том, что биологи считают вид P. furiosus "беглецом". Когда-то на всей нашей планете царили условия, в которых сейчас живёт этот экстремофил. Частые извержения вулканов и гейзеров разогревали поверхность, а никакого свободного кислорода не было и в помине.

Когда условия окружающей среды меняются, у живых организмов есть три пути: погибнуть, приспособиться или найти место, похожее на "дом, милый дом". Представители вида P. furiosus пошли по третьему, мигрировав в, так сказать, привычный для них климат. Мы называем его экстремофилом, но с точки зрения микроорганизма, экстремофилы как раз мы.

Как бы то ни было, данный организм представляет собой "живые консервы". Его биохимические механизмы – реликты далёких времён, проливающие свет на эволюцию всего живого, в том числе и человека разумного.

Вот поэтому группа Ли взялась за доскональное изучение структуры комплекса MBH. Учёные использовали передовой криоэлектронный микроскоп, у которого всего лишь около сотни аналогов на все научные лаборатории мира. Благодаря этому оборудованию строение фермента было выяснено с рекордной точностью, почти доходящей до координат каждого отдельного атома.

Выяснилось, что HMB удивительно похож на аналог в организме человека.

"Природа действительно хороша в том, чтобы находить молекулы, которые работают, а затем изменять их и использовать снова и снова. Это яркий пример, – комментирует Майкл Адамс (Michael Adams) из Университета Джорджии, соавтор исследования. – Знание структуры MBH даёт нам новое представление о том, как развился комплекс I и как он может работать".

Конечно, существуют и различия. Комплекс I имеет несколько дополнительных петель, которые позволяют ему взаимодействовать с большим количеством молекул. Вероятно, это адаптация к кислородному дыханию.

"Определение структуры MBH заполняет некоторые важные пробелы, указывая, как жизнь приспосабливалась к радикальным изменениям в окружающей среде на протяжении эпох", – резюмирует Ли.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) не впервые рассказывают об эволюции дыхания. Например, мы говорили о растении, которое ни много ни мало разучилось дышать самостоятельно. Не обошли мы стороной и обитателей геотермальных вод океанического дна, рассказав об их роли в балансе углерода.