Анаэробные бактерии — одни из первых форм жизни на Земле, существовавшие в эпоху, когда в атмосфере не было кислорода. В то время как многие организмы для выживания зависят от кислородной среды, анаэробы процветают в местах, где другие не могут существовать — в полностью бескислородных средах обитания, таких как кишечник человека или дно океана. Энзимы этих бактерий даже чувствительны к кислороду. Их удивительная адаптивность всё больше привлекает внимание исследователей.
Анаэробные бактерии часто производят необычные вещества. Это делает их особенно интересными для исследований и биотехнологий, например, для производства антибиотиков или биотоплива. Они также играют незаменимую роль в естественном цикле питательных веществ, разлагая органические материалы, такие как целлюлоза, и высвобождая питательные вещества обратно в экосистему.
Одним из наиболее известных анаэробных микробов, участвующих в деградации целлюлозы — основного компонента стенок растительных клеток, — является Clostridium thermocellum. Он преобразует целлюлозу в сахар, который затем может быть использован для производства биотоплива, такого как этанол.
Ключевую роль в этом процессе играет заметный жёлтый пигмент, вырабатываемый бактерией (YAS — Yellow Affinity Substance). YAS преимущественно прикрепляется к целлюлозным волокнам. Предполагается, что YAS помогает направлять разрушающие энзимы именно туда, где присутствует целлюлоза.
Исследователи из Института исследования природных соединений и инфекционной биологии им. Лейбница — Института Ханса Кнёлля (Leibniz-HKI) и Института химической экологии Общества Макса Планка в Йене впервые смогли выяснить молекулярный состав YAS.
Результаты опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Учёные обнаружили, что YAS состоит из нескольких компонентов, так называемых целлуксантенов, и определили их молекулярные структуры с помощью спектроскопического анализа (ЯМР, МС) и экспериментов по мечению изотопами. Кроме того, они идентифицировали кластер биосинтетических генов, ответственных за это, с помощью целенаправленных генетических манипуляций.
Удивительно, но пигменты проявляют активность против определённых микроорганизмов. Целлуксантены обладают слабой антибиотической активностью против грамположительных бактерий, включая клинически значимые устойчивые патогены. Понимание генетической основы биосинтеза также открывает возможность производства или модификации целлуксантенов в будущем.
Первые авторы исследования, Кейши Ишида и Яна Краббе, видят многообещающие результаты: «Хотя о жёлтых пигментах было известно почти столетие, их структура до сих пор оставалась загадкой. Теперь мы можем начать исследовать возможные экологические функции, включая антибактериальную активность для защиты источника пищи (целлюлозы) от конкурентов».
Открытие и характеристика целлуксантенов устраняет разрыв между нашим пониманием микробного метаболизма и практическими приложениями в энергетическом секторе и, возможно, в будущих медицинских исследованиях. Полученные данные также могут помочь оптимизировать использование растительной биомассы.
Исследование является частью проекта «AnoxyGen», в котором участвует Кристиан Хертвек. Хертвек — заведующий отделением в Leibniz-HKI и профессор в Йенском университете имени Фридриха Шиллера.
«AnoxyGen направлен на раскрытие скрытого потенциала анаэробных бактерий для производства новых биологически активных натуральных продуктов», — объясняет Хертвек. «Многие из этих микроорганизмов несут в своём геноме гены, отвечающие за производство ценных соединений, но они обычно остаются неактивными в стандартных лабораторных условиях».
Команда разрабатывает новые молекулярно-биологические методы для активации этих скрытых биосинтетических путей — методы, которые ранее существовали в основном для аэробных (кислородзависимых) микробов.
Цель — обнаружить и использовать ранее неизвестные природные вещества, имеющие медицинскую или биотехнологическую ценность. AnoxyGen сочетает современную синтетическую биологию с открытием активных веществ и может открыть новые возможности для фармацевтической разработки.
Проект «AnoxyGen» также вносит вклад в кластер передового опыта «Баланс микромира», который исследует сложные механизмы сигнализации и коммуникации внутри микробных сообществ, управляющих жизнью на Земле.
Предоставлено Институтом исследования природных соединений и инфекционной биологии им. Лейбница.