Кіріспе

Метаносарцина археясы - метан өндіретін эвриархеота археялардың бір туысы. Бұл бір жасушалы организмдер метаногенез үшін барлық үш метаболистік жолды пайдалана отырып, метан өндіретін анаэробты метаногендер деп аталады. Олар жер бетінде, жер асты суларында, терең теңізде және жануарлардың ас қорыту жүйесінде оттегі әсерінен қауіпсіз болатын әртүрлі ортада өмір сүреді. Метаносарциналар колонияларда өседі. Пиролизин амин қышқылы алғаш рет Метаносарцинаның бір түрі - M. barkeri-де табылды. Гемоглобиннің бастапқы нұсқалары M. acetivorans-та табылған, бұл микроб немесе оның ата-бабасы Жер бетіндегі тіршіліктің эволюциясында маңызды рөл атқарған болуы мүмкін дегенді білдіреді. Метаносарцинаның түрлері де ерекше үлкен геномдарымен ерекшеленеді. М. ацетиворанның геномы барлық археондардың ішіндегі ең үлкені. 2014 жылы жарияланған теорияға сәйкес, Метаносарцина Жер тарихындағы ең үлкен құрып кету оқиғасына, Перм-Триас құрып кету оқиғасына негізінен жауапты болуы мүмкін. Теорияның болжамынша, гендерді ауыстыру арқылы жаңа зат алмасу жолдарын алу, содан кейін экспоненциалды көбею микробтың теңіз шөгінділеріндегі органикалық көміртегінің үлкен жинақтарын тез тұтынуына мүмкіндік берді, бұл Жер мұхиты мен атмосферасында метан мен көмірқышқыл газын қатты жинақтауға әкеліп соқты, бұл әлемдегі түрлердің шамамен 90% -ын өлтірді. Бұл теория кезеңдік шөгінділерде көміртегі изотоптарының деңгейін вулкандық белсенділік сияқты басқа теорияларға қарағанда жақсы түсіндіре алады. Метаносарцина 1980 жылдардың ортасынан бастап сарқынды суларды тазартуда қолданылады. Зерттеушілер оны энергияның баламалы көзі ретінде пайдаланудың жолдарын іздестіруде. Метаносарцина тұқымдары бір жасушалы морфологияда өсірілді (Sowers et al. 1993) 35 °C-те 125 мМ метанолды және 40 мМ натрий ацетатын (HS MA ортасы) құрайтын HS сорпа ортасында.

Шолу

Метаносарцина метаногенездің барлық үш белгілі метаболистік жолдарын пайдалана отырып метан өндіретін жалғыз анаэробты метаногендер болуы мүмкін. Метаногенез қалдықтарды өңдеу өнеркәсібі үшін өте маңызды, ал биологиялық жолмен өндірілген метан да маңызды баламалы отын көзін білдіреді. Метаногендердің көпшілігі көмірқышқыл газы мен сутегі газынан метан жасайды. Басқалары ацетокластикалық жолда ацетат пайдаланады. Осы екі жолмен қатар, Метаносарцинаның түрлері метилді метаногенез арқылы метилденген бір көміртекті қосылыстарды метаболизмге алады. Көміртектің осындай қосылыстарына метиламиндер, метанол және метилтиолдар жатады. Тек Метаносарцина түрінде ғана метаногенездің барлық үш белгілі жолы бар және олар кем дегенде тоғыз метаногенді субстратты, оның ішінде ацетатты пайдалана алады. Метаносарциналар - экология тұрғысынан әлемдегі ең әртүрлі метаногендер. Олар қоқыс тастайтын орындар, кәріз сулары, терең теңіздегі бұрғылар, терең жер асты сулары және тіпті көптеген түрлі үйректілердің, соның ішінде сиыр, қой, ешкі және бұғылардың ішегінде кездеседі. Метаносарциналар колонияларда өсіп, бастапқы жасушалық дифференциация көрсетеді. Команданың бұдан бұрынғы зерттеулері M. barkeri-дегі геннің, әдеттегідей, ақуыздың аяқталғанын білдірмейтін, "каркас амбер" (UAG) кодоны бар екенін көрсеткен болатын. Бұл мінез-құлық белокты пептидтерге бөліп, оларды тізбектеп, бірнеше жыл бойы расталған белгісіз амин қышқылының мүмкіндігін білдірді. Пиролизин - 1986 жылдан бері табылған тұңғыш генетикалық кодталған амин қышқылы, жалпы алғанда 22-ші. Кейіннен ол Methanosarcinaceae тұқымдасының барлық мүшелерінде, сондай-ақ Desulfitobacterium hafniense деген бір бактерияда табылды. M. acetivorans және M. mazei екеуінің де ерекше үлкен геномдары бар. 2008 жылдың тамызында M. acetivorans 5,751,492 негіз жұптары бар ең үлкен реттелген археалдық геномға ие болды. M. mazei-нің геномында 4 096 345 негіз жұптары бар.

Жердегі тіршіліктің ерте дамуындағы рөлі

2004 жылы гемоглобиннің екі бастапқы нұсқасы табылды M. acetivorans және басқа археон, Aeropyrum pernix. Протоглобиндер деп аталатын бұл глобиндер гемоглобин сияқты оттегімен байланысады. М. ацетиворанның бұл әрекеті қажетсіз оттегін алып тастауға мүмкіндік береді, әйтпесе ол анаэробты организм үшін улы болар еді. Осылайша протоглобиндер оттегіге тәуелді кейінгі тіршілік формаларының эволюциясына жол ашқан болуы мүмкін. Ұлы оттегілендіру оқиғасынан кейін, Жер атмосферасында еркін оттегі болған кезде, оттегін өңдеу қабілеті өмірдің кең таралуына әкелді және Жердегі тіршілік формаларының эволюциясының ең негізгі кезеңдерінің бірі болып табылады. Ғалымдар минералдық байланыстағы протоклетке еркін өмір сүруге және ацетат метаболизмін метанға айналдыруға мүмкіндік беретін тетіктерді ұсынды. Олар М. ацетиворанның Жердегі алғашқы тіршілік түрлерінің бірі, алғашқы протоклеттердің тікелей ұрпағы болғанын болжады. Зерттеу жұмыстары 2006 жылдың маусым айында "Молекулярлық биология және эволюция" журналында жарияланды. Ғалымдар ацетаткиназа актинді қамтитын ірі белок суперотбасының урокиназасы болуы мүмкін деп болжайды. Дәлелдер ацетат киназаның ацетил coA синтетаза генінің дубликациясы мен дивергенциясы арқылы ежелгі галофильді Метаносарцина генінде дамығанын көрсетеді. Ғалымдар бұл жаңа гендер, мұхиттағы кең тараған органикалық көміртектің жинақталуы және никельдің мол қорымен бірігіп, Метаносарцина популяциясының күрт өсуіне мүмкіндік берді деген қорытындыға келді. Олардың теориясы бойынша, бұл қалдық ретінде метанды көп мөлшерде шығаруға әкелді. Бұл екі газдың жинақталуы мұхиттағы оттегі деңгейінің күрт төмендеуіне, сонымен бірге қышқылдықтың артуына себеп болған болар еді. Жер бетіндегі климат бір мезгілде температураның көтерілуі мен климаттың айтарлықтай өзгеруіне әкелетін, бұл парниктік газдардың атмосфераға шығарылуы. Атмосферада көмірқышқыл газы мен метанның жиналуы сутек сульфидінің шығарындысына себеп болуы мүмкін, бұл жер бетіндегі тіршілікке одан әрі қысым жасайды. Команданың нәтижелері 2014 жылдың наурыз айында Ұлттық ғылым академиясының іс қағаздарында жарияланды. Микробалар теориясының жақтаушылары оның вулканның атылуынан гөрі, көміртегі деңгейінің тез, бірақ үздіксіз көтерілуін түсіндіретінін айтады. Микробалардың теориясы вулкандық белсенділіктің Метаносарцинаға кофактор ретінде қажет никельді жеткізуде басқа рөл атқарғанын көрсетеді. Осылайша, микробтар теориясы бойынша, Сібірдегі жанартаулық белсенділік бұқаралық жойылудың негізгі себебі емес, катализаторы болды.

Адамдар қолданатын

1985 жылы Шимидзу Конструкция компаниясы азық-түлік өңдеу зауыттары мен қағаз фабрикаларынан шыққан қалдық суларды тазарту үшін Метаносарцинаны қолданатын биореактор әзірледі. Су реакторға жіберіледі, онда микроорганизмдер қалдық бөлшектерді ыдыратады. Археялар өндіретін метан реакторды қуаттандыру үшін пайдаланылады, сондықтан оны жүргізу арзанға түседі. Сынақтарда Метаносарцина қалдықтардың концентрациясын миллионға 5000 - 10000 бөлік (ppm) - ден 80 - 100 ppm- ға дейін төмендетті. Тазалау процесін аяқтау үшін қосымша өңдеу қажет болды. 1994 жылы "Химия және өнеркәсіп" журналында жарияланған мәліметке сәйкес, Метанотрикс соенгени немесе Метаносарцинаның анаэробты қорытуын пайдаланған биореакторлар аэробты аналогтарға қарағанда аз шлам қосалқы өнімін өндіреді. Метаносарцина реакторлары 35-55 °C температурада және 6,5 - 7,5 рН диапазонында жұмыс істейді. Зерттеушілер Метаносарцинаның метан өндіретін қабілетін баламалы қуат көзі ретінде кеңінен пайдаланудың жолдарын іздестірді. 2010 жылдың желтоқсан айында Арканзас университетінің зерттеушілері M. acetivorans-қа эфирлерді ыдырататын генді сәтті қосқан. Олар бұл биомассаны электр энергиясын өндіру үшін метан газына тиімдірек айналдыруға мүмкіндік береді деп мәлімдеді. 2011 жылы қоқыс тастау орындарында ыдырау кезінде пайда болатын метанның көпшілігі М. barkeri-ден шығатыны көрсетілді. Зерттеушілер микробтың төменгі рН-де өмір сүре алатынын және қышқыл тұтынатынын, осылайша рН-ді көтеретінін және өмірдің кең ауқымына мүмкіндік беретінін анықтады. Олардың пікірінше, бұл зерттеулер археялар өндіретін метанды баламалы қуат көзі ретінде пайдалану жөніндегі зерттеулерді жеделдетуге көмектеседі.