Наука и технологии России

Вход Регистрация

Российские учёные раскрыли механизм внутренних часов цианобактерий

Постоянная смена дня и ночи на нашей планете вынудила все организмы жить, подчиняясь суточным, или, по-научному, циркадным, ритмам. Строго говоря, циркадный ритм – это внутренние часы, регулирующие процессы жизнедеятельности организма. На смещение этих ритмов может влиять только естественное освещение, то есть длина светового дня. Если вы летали на дальние расстояния через несколько часовых поясов, то наверняка знаете, что это значит – подстройка собственных биологических часов. Но как же на самом деле работает эта сложнейшая система? Можно ли разобрать её по винтикам и увидеть, за счёт чего она функционирует, способна ли работать более эффективно и без сбоев? Международному коллективу учёных, в составе которого были и россияне, удалось понять механизм внутренних часов важнейшей в океаническом цикле бактерии Сyanothece 51142.

Цианобактерии_Cyanothece
Микрофотография главной героини – цианобактерии Cyanothece 51142

Считается, что самый простой механизм циркадного ритма имеют цианобактерии – одни из древнейших организмов на Земле, появившиеся, по представлениям современной науки, более 3 миллиардов лет назад. Они играют огромную роль в качестве фиксаторов углекислоты и продуцентов кислорода, а также служат важным звеном в круговороте азота, усваивая недоступный большинству живых существ молекулярный азот из воздуха и используя его для синтеза своей биомассы. Особенно велика роль азотфиксирующих цианобактерий в океане, где часто возникает дефицит доступных соединений азота в пищевых цепочках.

Циркадные ритмы этих маленьких, но весьма значимых существ и стали предметом исследования международного коллектива учёных. Основная работа проводилась в отделе адаптивных биотехнологий Центра изучения глобального изменения АН ЧР, Чехия (Department of Adaptation Biotechnologies, Global Change Research Centre AS CR), главное внимание было приковано к виду Сyanothece 51142, живущему в приливно-отливной зоне на песке на побережье Тихого океана.

Интерес науки к этой цианобактерии подогревается тем, что она обладает значительным потенциалом продукции биотоплива, в том числе водорода. Также эта бактерия заслуживает особого внимания, поскольку входит в группу организмов, чрезвычайно важных в морском азотном цикле. Звучали даже предложения использовать её в качестве пищевой добавки, так как она содержит много белка (до 50–60%), мало жиров (0,4–1%) и способна синтезировать витамин В12. Это организм с большими биотехнологическими перспективами. Чтобы использовать его максимально эффективно, то есть направлять метаболизм Сyanothece 51142 в нужную человеку сторону, необходимо знать механизмы регуляции этой цианобактерии в деталях.

Биореактор
Так выглядит биореактор, в котором изучают влияние различных факторов на метаболизм цианобактерий

Итак, изучали бактерию в специальных устройствах – биореакторах, где все условия (освещение, температура, концентрация углекислого газа) регулируются экспериментаторами.

К тому времени уже было известно, что смена процессов фотосинтеза и азотфиксации у этих бактерий происходит посредством циркадного ритма. Они, как и другие фотосинтезирующие организмы, умеют регулировать и совмещать два сосуществующих на свету процесса – фотосинтез и дыхание. На свету у них скорость фотосинтеза высока, а интенсивность дыхания низкая, то есть в итоге клетки активно поглощают углекислоту и выделяют кислород.

Уникальность цианобактерий Cyanothece в том, что только им из всех живых организмов удалось совместить в одной клетке по сути два взаимоисключающих процесса – фотосинтез и азотфиксацию. Для того чтобы цианобактерии могли усваивать азот из воздуха, в их клетках должен работать специальный фермент – нитрогеназа. Однако в присутствии кислорода нитрогеназа не работает, поэтому в природных условиях цианобактерии эти процессы разделяют во времени: днём идёт фотосинтез с выделением кислорода, а ночью в отсутствие света цианобактерии производят азотфиксацию.

Такое разделение фотосинтеза и фиксации азота по времени в течение суток возможно только при наличии механизмов тщательного контроля метаболизма.

В данном исследовании учёным удалось выяснить, что реальное положение дел с этими процессами у Cyanothece гораздо сложнее, чем считалось ранее. Оказалось, что и в условиях постоянного 24-часового освещения в реакторе цианеи могут совмещать процессы фотосинтеза-дыхания и азотфиксации. Как же Cyanothece уберегает свою нитрогеназу от токсичного для неё кислорода на свету? При более детальном лабораторном изучении оказалось, что, переключаясь на азотфиксацию в условиях постоянного света, клетки, несмотря на то, что свет никуда не делся, снижают скорость фотосинтеза и резко увеличивают интенсивность дыхания, в итоге выделение кислорода становится равным нулю или даже клетки начинают его поглощать! В таких условиях работа нитрогеназы становится возможной.

Авторы исследования предположили, что регуляция обмена веществ у цианобактерий осуществляется посредством циркадных часов, которые на тот момент в деталях были изучены на нескольких представителях цианобактерий. Действительно, оказалось, что клетки Cyanothece 51142 после пребывания в течение нескольких суток в условиях свет/темнота 12 ч./12 ч. способны затем фиксировать азот и при постоянном освещении, сохраняя 24-часовую цикличность метаболизма.

«В нашей работе мы подтвердили, что этот 24-часовой ритм действительно находится под контролем циркадных часов, показав, что период не изменяется в зависимости от температуры», – поясняет в интервью STRF.ru один из участников проекта, сотрудник лаборатории молекулярных основ внутриклеточной регуляции Института физиологии растений Мария Синетова.

Биореактор Серия биореакторов в лаборатории

Однако в биореакторе в условиях роста на среде без азота при высоком содержании углекислоты (0,5%) и постоянном освещении высокой интенсивности смена процессов фотосинтеза и азотфиксации у Cyanothece происходит с периодом значительно меньше суток. Такой «ускоренный» метаболический ритм называется ультрадианным. Он был описан также участниками данного исследования – чешскими учёными Ладиславом Недбалом и Яном Червеным – ещё в 2009 году, а позже другая исследовательская группа показала, что некоторые гены тоже меняют уровень своей экспрессии с периодом меньше суток. Но до сих пор не было известно: те же метаболические процессы задействованы в ультрадианном ритме, что и в суточном, и отличаются ли механизмы их регуляции, не является ли, грубо говоря, ультрадианный ритм просто «удвоенным» суточным?

Авторы данного исследования показали зависимость более короткого, ультрадианного ритма цианобактерий Cyanothece от температуры и, соответственно, его независимость от циркадных часов. Это означает, что смена фаз фотосинтеза и азотфиксации контролируется не только циркадными часами, но и какими-то иными механизмами. Так как период ультрадианного ритма зависит от освещённости и концентрации углекислоты, этот механизм регуляции должен быть как-то связан с системой сигналов о метаболическом состоянии клетки.

«Мы предполагаем, что этот механизм используется клетками в дополнение к циркадным часам для регуляции смены процессов фотосинтеза и азотфиксации с учётом не только времени суток, но истинного метаболического состояния клетки, которое зависит от температуры, освещения и доступности углекислоты», – комментирует Мария Синетова.

Такая уникальная способность бактерии регулировать метаболизм, чётко разделяя во времени различные биохимические процессы без внешних стимулов, таких как изменение света или температуры, заслуживает внимательного изучения сама по себе. Наличие параллельно циркадным ритмам ультрадианных метаболических ритмов уникально среди цианобактерий и свидетельствует о сложной системе их внутриклеточной регуляции. Замечательно то, что клетки Cyanothece осуществляют переход от фазы фотосинтеза к фазе азотфиксации с высокой степенью синхронности – то есть клетки перестают фотосинтезировать и начинают дышать все вместе, как по команде. Это заставляет предположить, что между клетками есть некий механизм коммуникации.

В настоящее время учёные ведут поиск той сигнальной системы, которой клетка пользуется для «измерения» своего метаболического состояния и которая управляет переключением фаз фотосинтеза и азотфиксации.

Источник информации:

J. Cervený, M.A. Sinetova, L. Valledor, L.A. Sherman and L. Nedbal, Ultradian metabolic rhythm in the diazotrophic cyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142. PNAS, July 22, 2013.

РЕЙТИНГ

5.00
голосов: 6

Галереи

«Наука — это красиво!» Номинация: «Мир, скрытый от наших глаз»

Конкурс научной фотографии, 2009 год

267 фото

Обсуждение