Бактерии из горячих источников Йеллоустона научились «дышать» кислородом и серой одновременно

Кажется, что аэробное и анаэробное дыхание — два противоположных пути получения энергии. Первое требует кислорода, второе — его не терпит. Но природа вновь доказала, что не любит рамок. Группа американских микробиологов обнаружила бактерию, способную использовать кислород и серу одновременно — словно бы «дыша» двумя способами сразу.

Речь идёт о термофильной бактерии Hydrogenobacter штамма RSW1, обитающей в горячем источнике Roadside West в Йеллоустонском национальном парке. Этот источник — типичный представитель гидротермальной системы: вода с температурой около 70 °C, pH, близкий к нейтральному, и практически полное отсутствие кислорода в глубинных слоях. Однако на поверхности благодаря турбулентности и контакту с атмосферным воздухом кислород появляется, и его концентрация постоянно колеблется.

Именно в таких условиях и процветает Hydrogenobacter RSW1. Но как именно она справляется с нестабильным кислородным режимом? Ответ оказался неожиданным: бактерия не выбирает между кислородом и серой — она использует оба конечных акцептора электронов одновременно.

«Мы впервые показали, что один и тот же организм может восстанавливать и кислород, и серу в одно и то же время, — говорит ведущий автор исследования. — Это выходит за рамки классического представления о метаболизме».

Чтобы убедиться в этом, учёные провели серию экспериментов. Они выращивали бактерии в среде, содержащей водород (H₂) в качестве донора электронов, а также серу (S⁰) и кислород (O₂) в качестве акцепторов. Результат был впечатляющим: клетки росли быстрее и достигали большей плотности, чем при наличии только одного акцептора. При этом в среде накапливался сульфид (HS⁻) — продукт восстановления серы — а кислород активно потреблялся.

Важно, что это не было простым «переключением» с одного типа дыхания на другой. Даже при регулярном обновлении газовой фазы и поддержании стабильной концентрации кислорода бактерии продолжали восстанавливать серу. Это означает, что оба процесса идут параллельно и оба приносят пользу.

Генетический анализ подтвердил этот вывод. В геноме Hydrogenobacter RSW1 обнаружены гены, кодирующие:

• сульфур-редуктазу (SreABC), которая восстанавливает серу до сульфида;
• цитохром c-оксидазы (Cox1 и Cox2), редуцирующие кислород до воды;
• несколько типов [NiFe]-гидрогеназ, которые окисляют водород и подают электроны на оба комплекса.

При этом экспрессия генов, отвечающих за дыхание кислородом, даже повышалась в присутствии серы — то есть клетки не только не отключали аэробное дыхание, но и усиливали его.

Что ещё интереснее, чисто анаэробное восстановление серы (без кислорода) не приводило к росту клеток, но значительно повышало их выживаемость. В экспериментах с окрашиванием живых и мёртвых клеток оказалось, что после четырёх суток в среде с H₂ и S⁰ оставалось вдвое больше живых клеток, чем в контрольных условиях. Кроме того, только в этих пробах удавалось обнаружить АТФ — универсальную энергетическую «валюту» клетки.

«Получается, что серное дыхание — это своего рода "режим ожидания", который позволяет бактерии сохранять жизнеспособность в отсутствие кислорода, — объясняет соавтор работы. — А как только кислород появляется, она запускает и второй путь, получая дополнительную энергию».

Это открытие имеет важные экологические и эволюционные последствия. Во-первых, оно помогает объяснить, почему Aquificales — один из древнейших отрядов бактерий — так успешно обитают в горячих источниках с переменным кислородным режимом. Во-вторых, оно показывает, что граница между аэробными и анаэробными организмами может быть гораздо более размытой, чем считалось ранее.

Авторы проанализировали более 200 геномов бактерий и архей и обнаружили, что гомологи сульфур-редуктазы SreA есть у многих представителей Aquificales, включая роды Thermocrinis, Hydrogenobacter и Hydrogenivirga. Это означает, что «гибридное» дыхание может быть широко распространено среди термофильных микроорганизмов, но оставалось незамеченным из-за быстрого химического окисления сульфида в лабораторных условиях.

В природе, где концентрация кислорода может резко меняться, такая метаболическая гибкость — настоящее спасение. Особенно в горячих источниках, где кислород поступает лишь за счёт турбулентности и атмосферного газообмена. Способность использовать оба акцептора — и кислород, и серу — может быть в таких условиях решающим преимуществом.

«Возможно, именно такие стратегии позволили древним бактериям пережить эпоху великого окисления, когда кислород только начал появляться в атмосфере, — заключают авторы. — И сегодня, в микромирах с нестабильным кислородом, эти механизмы продолжают работать».

Это исследование не только расширяет наше понимание микробного метаболизма, но и ставит новые вопросы. Где ещё в природе скрыты подобные «гибридные» стратегии? И сколько микроорганизмов, которых мы считаем строго аэробными или анаэробными, на самом деле способны на большее? Природа, возможно, гораздо изобретательнее, чем мы думали, — и это лишь начало новой главы в микробиологии.