Исследовательская группа выяснила, как этан (C₂H₆) — основной компонент природного газа — влияет на основные метаболические пути облигатного метанотрофа Methylosinus trichosporium OB3b.
Работа опубликована в журнале Applied and Environmental Microbiology. Руководил группой профессор Джевук Мёнг из Департамента гражданской и экологической инженерии KAIST в сотрудничестве со Стэнфордским университетом.
Метан (CH₄) — парниковый газ, потенциал глобального потепления которого примерно в 25 раз выше, чем у углекислого газа, — редко выделяется в окружающую среду в чистом виде. Обычно он высвобождается в смеси с другими газами. В случае природного газа этан может составлять до 15% от общего состава.
Метанотрофы — это аэробные бактерии, которые могут использовать метан в качестве единственного источника углерода и энергии. Облигатные метанотрофы, в частности, строго используют только соединения C1, такие как метан или метанол. До сих пор было мало известно о том, как эти организмы реагируют на соединения C2, такие как этан, которые они не могут использовать для роста.
Это исследование показывает, что, хотя этан не может служить субстратом для роста, его присутствие значительно влияет на ключевые метаболические функции в M. trichosporium OB3b, включая окисление метана, пролиферацию клеток и внутриклеточный синтез полигидроксибутирата (PHB) — биоразлагаемого полимера.
При различных условиях содержания метана и кислорода команда наблюдала, что добавление этана последовательно приводило к трём метаболическим эффектам: снижению роста клеток, снижению потребления метана и увеличению накопления PHB. Эти эффекты усиливались с ростом концентрации этана. Примечательно, что окисление этана происходило только при наличии метана, что подтверждает его совместное окисление с помощью частичного метаномонооксигеназы (pMMO) — ключевого фермента, ответственного за окисление метана.
Дальнейший анализ показал, что ацетат, промежуточное соединение, образующееся при окислении этана, играет ключевую роль в этом ответе. Более высокие уровни ацетата ингибировали рост, но усиливали производство PHB, что позволяет предположить, что ацетат, полученный из этана, стимулирует различные модели ассимиляции углерода в зависимости от условий питания — фаза роста с сбалансированным содержанием питательных веществ и фаза накопления биополимера с несбалансированным содержанием питательных веществ.
Кроме того, когда была добавлена внешняя восстановительная сила (через метанол или формиат), потребление этана значительно увеличилось, в то время как окисление метана осталось в основном неизменным. Это говорит о том, что этан, несмотря на то, что не поддерживает рост, активно конкурирует за внутриклеточные ресурсы, такие как восстановительные эквиваленты. Это даёт новое представление о приоритетности субстратов и распределении ресурсов у метанотрофов в условиях смешанного субстрата.
Интересно, что, хотя поглощение метана снизилось в присутствии этана, экспрессия pmoA — гена, кодирующего pMMO, — осталась неизменной. Это говорит о том, что влияние этана происходит за пределами транскрипционного уровня — вероятно, через посттранскрипторную или ферментативную регуляцию.
«Это первое исследование, в котором систематически изучается, как облигатные метанотрофы реагируют на сложные газовые смеси, включающие этан», — сказал профессор Джевук Мёнг. «Наши результаты показывают, что даже несубстраты для роста могут существенно влиять на микробный метаболизм и синтез биополимеров, открывая новые возможности для метанобразующих биотехнологий и производства биопластика».