Цианобактерии научились использовать токсичный гуанидин в качестве источника азота

Цианобактерии преобразуют световую энергию в химическую посредством фотосинтеза и становятся всё более важными для углеродно-нейтральной биотехнологии. Автор: André Künzelmann/UFZ

Гуанидин — это органическое соединение, в основном используемое в качестве денатурирующего реагента для разрушения структур белков и нуклеиновых кислот. Совместно с партнёрскими институтами учёные из Центра экологических исследований имени Гельмгольца (UFZ) продемонстрировали, что цианобактерии, играющие ключевую роль в глобальных биогеохимических циклах, используют гуанидин в качестве источника азота.

Результаты были недавно опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Исследователи пролили свет на лежащие в основе механизмы и потенциал для создания нового инструмента для устойчивых биотехнологических применений.

Экологическое и биотехнологическое значение цианобактерий

Цианобактерии являются ключевыми экологическими игроками в глобальных циклах углерода и азота. Они также становятся всё более важными для углеродно-нейтральной биотехнологии. Они могут служить зелёными клеточными фабриками для светозависимого и устойчивого производства химикатов и топлива — центрального столпа устойчивой биоэкономики.

Однако по сравнению с другими бактериями, такими как кишечная палочка (Escherichia coli), мало что известно о том, как цианобактерии реагируют на внешние и внутренние сигналы, как координируется их метаболизм и как функционируют эти регуляторные механизмы.

Открытие метаболизма гуанидина у цианобактерий

Исследование, опубликованное UFZ в сотрудничестве с Дюссельдорфским университетом имени Генриха Гейне и Университетом Мартина Лютера в Галле-Виттенберге, показывает, что цианобактерии могут активно поглощать и расщеплять гуанидин (CH₅N₃) и даже использовать его в качестве единственного источника азота. Это говорит о том, что свободный гуанидин доступен в естественных средах обитания и что способность его использовать является преимуществом для колонизации — несмотря на то, что гуанидин ранее рассматривался в основном как токсичное вещество.

Было уже известно, что гуанидин расщепляется в клетке цианобактерий гуанидингидролазой на аммоний и мочевину, которые через дальнейшие реакции поступают в метаболизм. Вновь исследованные аспекты включают поглощение гуанидина как питательного вещества через недавно открытую транспортную систему АТФ-связывающей кассеты (ABC), которая распознаёт гуанидин с высоким сродством и обеспечивает его импорт в клетку даже при низких концентрациях в окружающей среде.

Одновременно специальная транспортная система (эффлюксная система), которая также может выводить гуанидин из клеток, защищает их от чрезмерных и, следовательно, вредных концентраций. Ферменты и транспортные системы, ответственные за метаболизм гуанидина, широко распространены среди цианобактерий.

Последствия для азотных циклов и биотехнологии

«Исследование показывает, что гуанидин является неотъемлемой частью азотного метаболизма и, следовательно, также должен играть роль в глобальных биогеохимических циклах в природе», — говорит доктор Штефан Клен, молекулярный микробиолог из UFZ и координатор исследования.

Для этого исследователи объединили геномные анализы, методы молекулярной микробиологии и биохимические исследования связывания с имитационным процессным анализом, а также дополнительно изучили регуляцию метаболизма гуанидина. Гены транспортеров и гидролаз гуанидина регулируются на нескольких уровнях, в том числе через рибопереключатель, который реагирует непосредственно на связывание гуанидина.

Исследователи используют этот механизм для биотехнологии: рибопереключатель служит точно управляемым элементом, который можно использовать для тонкой настройки экспрессии генов в цианобактериях путём добавления гуанидина. Это даёт молекулярный инструмент для экономичного контроля биотехнологических производственных процессов, пригодный для широкого спектра применений в синтетической биологии.

Источник: Helmholtz Association of German Research Centres

Интересный факт: Цианобактерии, также известные как сине-зелёные водоросли, являются одними из древнейших организмов на Земле, их ископаемые остатки насчитывают более 3,5 миллиардов лет. Именно их деятельность по фотосинтезу в значительной степени сформировала кислородную атмосферу нашей планеты, сделав возможной эволюцию сложных форм жизни.