Введение
Бактерии, использующие одноуглеродные соединения в качестве основного источника углерода. Метилотрофы – это разнообразная группа микроорганизмов, способных использовать восстановленные одноуглеродные соединения, такие как метанол или метан, в качестве источника углерода для роста, а также многоуглеродные соединения, не содержащие углерод-углеродные связи, например, диметилэфир и диметиламин. В эту группу микроорганизмов также входят те, которые способны ассимилировать восстановленные одноуглеродные соединения путем получения углекислого газа с использованием рибулозобисфосфатного пути. Эти организмы не следует путать с метаногенами, которые, напротив, производят метан как побочный продукт из различных одноуглеродных соединений, таких как углекислый газ. Некоторые метилотрофы способны разлагать парниковый газ метан, и в этом случае их называют метанотрофами. Благодаря доступности, чистоте и низкой стоимости метанола по сравнению с обычно используемыми сахарами, метилотрофы являются перспективными организмами для производства аминокислот, витаминов, рекомбинантных белков, одноклеточного белка, коферментов и цитохромов.
Methylotrophs are a diverse group of microorganisms that can use reduced one carbon compounds, such as methanol or methane, as the carbon source for their growth; and multi carbon compounds that contain no carbon carbon bonds, such as dimethyl ether and dimethylamine. This group of microorganisms also includes those capable of assimilating reduced one carbon compounds by way of carbon dioxide using the ribulose bisphosphate pathway. These organisms should not be confused with methanogens which on the contrary produce methane as a by product from various one carbon compounds such as carbon dioxide. Some methylotrophs can degrade the greenhouse gas methane, and in this case they are called methanotrophs. The abundance, purity, and low price of methanol compared to commonly used sugars make methylotrophs competent organisms for production of amino acids, vitamins, recombinant proteins, single cell proteins, co enzymes and cytochromes.
Катаболизм
Метилотрофы используют электронно-транспортную цепь для сохранения энергии, образующейся при окислении соединений C1. В метанотрофном метаболизме требуется дополнительный этап активации для деградации химически стабильного метана. Это окисление до метанола катализируется MMO, который включает один атом кислорода из O2 в молекулу метана и восстанавливает другой атом кислорода до воды, требуя двух эквивалентов восстановительной силы, или неспецифической спиртоксидазой у дрожжей. Электроны, образующиеся при окислении метанола, передаются к мембранному хинону электронно-транспортной цепи для производства АТФ. В диссимилятивных процессах формальдегид полностью окисляется до CO2 и выделяется. Формальдегид окисляется до формиата под действием формальдегиддегидрогеназы (FALDH), которая непосредственно передает электроны мембранному хинону электронно-транспортной цепи, обычно цитохрому b или c, и CO2.
Анаболизм
Основная метаболическая задача метилтрофов – ассимиляция единичных углеродных фрагментов в биомассу. В процессе de novo синтеза метилтрофы должны формировать углерод-углеродные связи из молекул, содержащих один атом углерода (C1). Это энергозатратный процесс, которого факультативные метилтрофы избегают, используя различные более крупные органические соединения. Однако облигатные метилтрофы должны ассимилировать молекулы C1. Все четыре пути включают 3 молекулы C1 в многоуглеродные промежуточные соединения, после чего один из промежуточных продуктов расщепляется с образованием новой C3-молекулы. Оставшиеся промежуточные соединения перестраиваются для регенерации исходных многоуглеродных промежуточных соединений.
Бактерии
Каждый вид метилтрофных бактерий обладает единственным преобладающим путем ассимиляции.
Цикл бисфосфата рибулозы (RuBP)
В отличие от других ассимиляторных путей, бактерии, использующие путь RuBP, получают весь свой органический углерод из ассимиляции CO2. Этот путь был впервые изучен в фотосинтезирующих автотрофах и лучше известен как цикл Кальвина. Вскоре после этого были обнаружены метилтрофные бактерии, способные расти на восстановленных C1-соединениях, использующие этот же путь. Сначала 3 молекулы рибулозо-5-фосфата фосфорилируются до рибулозо-1,5-бисфосфата (RuBP). Фермент рибулозо-бисфосфаткарбоксилаза (RuBisCO) карбоксилирует эти молекулы RuBP, в результате чего образуется 6 молекул 3-фосфоглицерата (PGA). Фермент фосфоглицераткиназа фосфорилирует PGA в 1,3-дифосфоглицерат (DPGA). Восстановление 6 DPGA ферментом глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой приводит к образованию 6 молекул C3-соединения глицеральдегид-3-фосфата (GAP). Одна молекула GAP направляется на синтез биомассы, а остальные 5 молекул регенерируют 3 молекулы рибулозо-5-фосфата. Эксперименты с радиоактивной меткой показали, что M. methanica использует путь рибулозомонофосфата (RuMP). Это заставило исследователей предположить, что цикл RuMP мог предшествовать циклу RuBP. Сначала 2 молекулы формальдегида присоединяются к 2 молекулам аминокислоты глицина. Это приводит к образованию двух молекул аминокислоты серина, ключевого промежуточного продукта этого пути. Эти молекулы серина в конечном итоге образуют 2 молекулы 2-фосфоглицерата, при этом одна молекула C3 направляется на синтез биомассы, а другая используется для регенерации глицина. Важно отметить, что для регенерации глицина также требуется молекула CO2, поэтому сериновый путь также отличается от других трех путей необходимостью как формальдегида, так и CO2. Компартаментализация этой реакции в пероксисомах, вероятно, изолирует образующуюся перекись водорода. Каталаза синтезируется в пероксисомах для нейтрализации этого вредного побочного продукта. Этот путь ассимилирует три молекулы формальдегида в одну молекулу DHAP, используя 3 молекулы ксилулозо-5-фосфата в качестве ключевого промежуточного продукта. DHA-синтаза действует как трансфераза (транскетолаза), перенося часть ксилулозо-5-фосфата на DHA. Затем эти 3 молекулы DHA фосфорилируются до DHAP триокиназой. Как и в других циклах, образуется 3 молекулы C3, при этом 1 молекула направляется на использование в качестве клеточного материала. Оставшиеся 2 молекулы используются для регенерации ксилулозо-5-фосфата.
Экологические последствия
В качестве ключевых игроков в углеродном цикле, метилотрофы способствуют снижению глобального потепления главным образом за счет поглощения метана и других парниковых газов. В водных средах метаногенные археи производят 40–50% мирового объема метана. Симбиоз между метаногенами и метанотрофными бактериями значительно уменьшает количество метана, высвобождаемого в атмосферу. Этот симбиоз также имеет важное значение в морской среде. Морские бактерии играют важную роль в пищевых цепях и биогеохимических циклах, особенно в прибрежных поверхностных водах, но также и в других ключевых экосистемах, таких как гидротермальные источники. Имеются данные о широком распространении и разнообразии групп метилотрофов в океане, которые потенциально могут оказать значительное влияние на морские и эстуарные экосистемы. Одноуглеродные соединения, используемые метилотрофами в качестве источника углерода и энергии, встречаются повсеместно в океане. К этим соединениям относятся метан, метанол, метилированные амины, метилгалогениды и метилированные соединения серы, такие как диметилсульфид (DMS) и диметилсульфоксид (DMSO). Некоторые из этих соединений производятся фитопланктоном, а другие поступают из атмосферы. Исследования, охватывающие более широкий спектр одноуглеродных субстратов, выявили растущее разнообразие метилотрофов, что позволяет предположить, что разнообразие этой бактериальной группы еще не изучено в полной мере. В других случаях обнаружено, что метиламин, продукт жизнедеятельности метилотрофов, выделяется из океана и образует аэрозоли. Это означает, что метилтрофический метаболизм, вероятно, будет подчиняться аналогичной динамике, что, в свою очередь, повлияет на биогеохимические циклы и потоки углерода. Такие исследования будут способствовать дальнейшему пониманию круговорота углерода в глубоких водах и взаимосвязи между круговоротом углерода в глубоком океане и на его поверхности. Развитие омикс-технологий ускорило исследования разнообразия метилотрофов, их численности и активности в различных экологических нишах, а также их межвидовых взаимодействий. Необходимы дальнейшие исследования этих бактерий и общего эффекта бактериального поглощения и преобразования одноуглеродных соединений в океане. Имеющиеся данные указывают на потенциально существенную роль метилотрофов в океане в цикле углерода, а также, возможно, в глобальных циклах азота, серы и фосфора, а также в воздушно-морском обмене углеродными соединениями, что может оказать влияние на глобальный климат. Благодаря своей способности формировать мутуалистические отношения с несколькими видами растений, метилотрофы обладают высоким потенциалом в качестве альтернативных биоудобрений и биоинокулянтов. Метилотрофы обеспечивают растения питательными веществами, такими как растворимый фосфор и фиксированный азот, а также играют роль в их поглощении. Кроме того, они могут помочь растениям реагировать на факторы стресса в окружающей среде за счет выработки фитогормонов. Метилтрофный рост также подавляет рост вредных патогенов растений и индуцирует системную устойчивость. Показано, что метилтрофные биоудобрения, используемые как самостоятельно, так и в сочетании с химическими удобрениями, повышают урожайность и качество сельскохозяйственных культур без потерь питательных веществ.