Биологи из Констанца открыли метаболизм бактерий на основе фосфора, одновременно новый и древний. История его открытия включает в себя расчеты 1980-х годов, очистную установку, новый бактериальный организм и остатки, существовавшие примерно 2,5 миллиарда лет назад. Наше повествование начинается в конце 1980-х годов с листа бумаги. На этом листе учёный рассчитал, что преобразование химического соединения фосфита в фосфат высвободит достаточно энергии для производства энергоносителя клетки — молекулы АТФ. Таким образом, микроорганизм должен иметь возможность снабжать себя энергией. В отличие от большинства живых организмов на нашей планете, этот организм не будет зависеть от энергоснабжения света или разложения органического вещества. Ученому действительно удалось выделить такой микроорганизм из окружающей среды. Его энергетический обмен основан на окислении фосфита до фосфата, как и предсказывает расчет. Но как именно работает биохимический механизм? К сожалению, ключевой фермент, необходимый для понимания биохимии этого процесса, оставался скрытым, и поэтому тайна оставалась неразгаданной в течение многих лет. В последующие три десятилетия лист оставался в ящике стола, исследовательский подход был отложен на второй план. Однако учёный не мог выбросить эту мысль из головы.
Ученым является Бернхард Шинк, профессор Лимнологического института Констанцского университета. Спустя три десятилетия после того, как он сделал расчеты на бумаге, неожиданное открытие заставило дело снова повернуть вспять. То, что было в глубине его сознания в течение многих лет, наконец было найдено на очистных сооружениях в Констанце, всего в нескольких километрах от лаборатории Шинка. Чжуцин Мао, доктор биологии из Констанца, исследовал образец осадка сточных вод и обнаружил второй микроорганизм, который также получает энергию от фосфита. Биологи из Констанца под руководством Шинка поместили эту бактерию в среду, в которой в качестве источника питания для нее использовался только фосфит. И действительно, популяция бактерий росла. «Эта бактерия существует за счет окисления фосфита, и, насколько нам известно, исключительно за счет этой реакции. Таким образом она обеспечивает свой энергетический метаболизм и в то же время может создавать свое клеточное вещество из CO2», — объясняет Шинк. «Эта бактерия является автотрофным организмом, как и растение. Однако ей не нужен свет, как растению, поскольку она черпает энергию из окисления фосфита». Удивительно, но оказалось, что бактерия не только представляет собой новый вид, но фактически образует совершенно новый род бактерий.
С этого момента все произошло очень быстро. Разгадке тайны посвятила себя целая сеть исследователей из Констанца, в том числе Шинк, Николай Мюллер, Дэвид Шлехек, Дженнифер Флеминг и Ольга Майанс. Они создали чистую культуру этого нового бактериального штамма, в которой наконец смогли идентифицировать ключевой фермент, запускающий окисление фосфита в фосфат. «Прорыв произошел благодаря Николаю Мюллеру и его экспериментам с ферментами», — говорит Дэвид Шлехек. Николаю Мюллеру удалось наглядно продемонстрировать активность фермента, тем самым раскрыв биохимический механизм, лежащий в основе ключевого фермента. Ольга Майанс и Дженнифер Флеминг создали трехмерную модель структуры фермента и активного центра, чтобы понять путь реакции. «Что было очень удивительно, так это то, что во время окисления фосфит, по-видимому, напрямую соединяется с предшественником энергоносителя AMP, в результате чего создается энергоноситель АДФ. В последующей реакции два из образовавшихся АДФ преобразуются в один АТФ, на котором организм в конечном счете живет», — обрисовывает путь реакции Николай Мюллер. Наконец все сошлось: исходный лист превратился в целую стопку бумаг, результатом которой стала публикация в Трудах Национальной академии наук.
Открытие нового типа энергетического обмена само по себе является большим научным успехом. Однако исследовательская группа считает, что этот тип метаболизма отнюдь не новый, а очень старый, даже древний: ему около 2,5 миллиардов лет. «Предполагается, что в первые дни эволюции, когда Земля остывала, фосфор еще присутствовал в значительной степени в частично восстановленной форме и лишь позже постепенно окислялся. Обнаруженный нами сейчас обмен веществ очень хорошо вписывается в ранняя фаза эволюции микроорганизмов», — объясняет Шинк. Таким образом, биохимический механизм, который бактерия использует для своего метаболизма, не нов, а, скорее всего, сохранился с первобытных времен нашей планеты: когда зародилась жизнь на нашей планете и первым микроорганизмам приходилось питаться неорганическими соединениями, такими как фосфит. Таким образом, новые научные открытия дают ключ к разгадке ранней биохимической эволюции на нашей планете. Кроме того, они дают ключ к биохимическому механизму, который делает возможной жизнь в очень враждебных местах, возможно, даже на планетах инопланетян.
