Введение
Род архей Methanosarcina - это род архей euryarchaeote, которые производят метан. Эти одноклеточные организмы известны как анаэробные метаногены, которые производят метан, используя все три метаболических пути метаногенеза. Они живут в различных средах, где могут оставаться в безопасности от воздействия кислорода, будь то на поверхности земли, в подземных водах, в глубоких морских отверстиях и в пищеварительных трактах животных. Метаносарцины растут колониями. Аминокислота пиролизин была впервые обнаружена в видах Methanosarcina, M. barkeri. Примитивные версии гемоглобина были обнаружены в M. acetivorans, что предполагает, что микроб или его предки могли играть решающую роль в эволюции жизни на Земле. Виды Methanosarcina также известны необычно большими геномами. M. acetivorans имеет самый большой известный геном из всех археонов. Согласно теории, опубликованной в 2014 году, Метаносарцина может быть в значительной степени ответственна за крупнейшее событие вымирания в истории Земли, событие вымирания пермского-триасового периода. Теория предполагает, что приобретение нового метаболического пути через перенос генов, сопровождаемый экспоненциальным размножением, позволило микробу быстро потреблять огромные отложения органического углерода в морских осадках, что привело к резкому накоплению метана и углекислого газа в океанах и атмосфере Земли, что убило около 90% видов в мире. Эта теория могла бы лучше объяснить наблюдаемый уровень изотопов углерода в периодовых отложениях, чем другие теории, такие как вулканическая активность. Метаносарцина используется в очистке сточных вод с середины 1980-х годов. Исследователи искали способы использовать его в качестве альтернативного источника энергии. Стены метаносарцины выращивались в одноклеточной морфологии (Sowers et al. 1993) при 35 °C в среде HS-бульона, содержащей 125 мМ метанола плюс 40 мМ ацетата натрия (среда HS MA).
Methanosarcina is a genus of euryarchaeote archaea that produce methane. These single celled organisms are known as anaerobic methanogens that produce methane using all three metabolic pathways for methanogenesis. They live in diverse environments where they can remain safe from the effects of oxygen, whether on the earth's surface, in groundwater, in deep sea vents, and in animal digestive tracts. Methanosarcina grow in colonies. The amino acid pyrrolysine was first discovered in a Methanosarcina species, M. barkeri. Primitive versions of hemoglobin have been found in M. acetivorans, suggesting the microbe or an ancestor of it may have played a crucial role in the evolution of life on Earth. Species of Methanosarcina are also noted for unusually large genomes. M. acetivorans has the largest known genome of any archaeon. According to a theory published in 2014, Methanosarcina may have been largely responsible for the largest extinction event in the Earth's history, the Permian–Triassic extinction event. The theory suggests that acquisition of a new metabolic pathway via gene transfer followed by exponential reproduction allowed the microbe to rapidly consume vast deposits of organic carbon in marine sediments, leading to a sharp buildup of methane and carbon dioxide in the Earth's oceans and atmosphere that killed around 90% of the world's species. This theory could better explain the observed carbon isotope level in period deposits than other theories such as volcanic activity. Methanosarcina has been used in waste water treatment since the mid 1980s. Researchers have sought ways to use it as an alternative power source. Methanosarcina strains were grown in single cell morphology (Sowers et al. 1993) at 35 °C in HS broth medium containing 125 mM methanol plus 40 mM sodium acetate (HS MA medium).
Обзор
Метаносарцина может быть единственным известным анаэробным метаногеном, который производит метан, используя все три известных метаболических пути метаногенеза. Метаногенез имеет решающее значение для обработки отходов, а биологически вырабатываемый метан также представляет собой важный альтернативный источник топлива. Большинство метаногенов образуют метан из углекислого газа и водорода. Другие используют ацетат в ацетокластическом пути. В дополнение к этим двум путям, виды Methanosarcina также могут метаболизировать метилированные одноуглеродные соединения через метилтрофический метаногенез. К таким углеродным соединениям относятся метиламины, метанол и метилтиолы. Только виды Methanosarcina обладают всеми тремя известными путями метаногенеза и способны использовать не менее девяти метаногенных субстратов, включая ацетат. Метаносарцины являются самыми разнообразными метаногенами в мире с точки зрения экологии. Они встречаются в таких средах, как свалки, сточные воды, глубокие морские отверстия, глубокие подземные воды, и даже в кишечнике многих различных копытных животных, включая коров, овец, коз и оленей. Метаносарцины растут колониями и демонстрируют примитивную клеточную дифференциацию. Ранее исследования команды показали, что ген в M. barkeri имел кодон "в рамке янтаря" (UAG), который не сигнализировал о конце белка, как обычно ожидается. Это поведение предполагало возможность неизвестной аминокислоты, которая была подтверждена в течение нескольких лет путем разрезания белка на пептиды и секвенирования их. Пиролизин был первой генетически закодированной аминокислотой, обнаруженной с 1986 года, и 22-й в целом. Впоследствии он был обнаружен во всем семействе Methanosarcinaceae, а также в одной бактерии, Desulfitobacterium hafniense. И M. acetivorans, и M. mazei имеют исключительно большие геномы. По состоянию на август 2008 года M. acetivorans обладал самым большим секвенированным археальным геномом с 5 751 492 парми оснований. Геном M. mazei имеет 4 096 345 пар оснований.
Роль в раннем развитии жизни на Земле
В 2004 году были обнаружены две примитивные версии гемоглобина в M. acetivorans и другой археон, Aeropyrum pernix. Эти глобины, известные как протоглобины, связываются с кислородом так же, как и гемоглобин. В M. acetivorans это позволяет удалять нежелательный кислород, который в противном случае был бы токсичен для этого анаэробного организма. Таким образом, протоглобины, возможно, создали путь для эволюции более поздних форм жизни, которые зависят от кислорода. После Великого события окисления, когда в атмосфере Земли появился свободный кислород, способность обрабатывать кислород привела к широкому распространению излучения жизни, и является одной из самых фундаментальных стадий в эволюции форм жизни на Земле. Ученые далее предложили механизмы, которые позволили бы связанной с минералами протоклетке стать свободно живущей и эволюции ацетатного метаболизма в метан, используя те же энергетические пути. Они предположили, что M. acetivorans был одной из первых форм жизни на Земле, прямым потомком ранних протоклеток. Исследование было опубликовано в журнале Molecular Biology and Evolution в июне 2006 года. Ученые выдвигают гипотезу, что ацетаткиназа может быть урокиназой в крупном суперсемействе белков, включающем актин. Данные свидетельствуют о том, что ацетаткиназа эволюционировала в древнем галофильном геноме Метаносарцина путем дублирования и дивергенции гена ацетилкоАсинтетазы. Ученые пришли к выводу, что эти новые гены в сочетании с широко доступными органическими отложениями углерода в океане и обильным запасом никеля позволили популяциям Methanosarcina резко увеличиться. Согласно их теории, это привело к выбросу большого количества метана в виде отходов. Накопление этих двух газов привело бы к резкому снижению уровня кислорода в океане, а также к увеличению кислотности. Земной климат одновременно испытывал бы повышение температуры и значительные изменения климата от выброса этих парниковых газов в атмосферу. Возможно, накопление углекислого газа и метана в атмосфере в конечном итоге вызвало выброс сероводорода, что еще больше ухудшило жизнь на Земле. Результаты исследования были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences в марте 2014 года. Сторонники теории микробов утверждают, что она лучше объяснит быстрый, но непрерывный рост уровня изотопов углерода в осадочных отложениях, чем извержение вулкана, которое вызывает всплеск уровня углерода, сопровождаемый медленным снижением. Теория микробов предполагает, что вулканическая активность играла другую роль в снабжении никелем, который Метаносарцина требовал в качестве кофактора. Таким образом, теория микробов утверждает, что сибирская вулканическая активность была катализатором, но не основной причиной массового вымирания.
Использование людьми
В 1985 году компания Shimizu Construction разработала биореактор, который использует метаносарцину для очистки сточных вод пищевых заводов и бумажных фабрик. Вода поступает в реактор, где микробы расщепляют отходы. Метан, вырабатываемый архей, затем используется для питания реактора, что делает его дешевым. В ходе испытаний Метаносарцина снизила концентрацию отходов с 5000 до 10000 частей на миллион (ppm) до 80 до 100 ppm. Для завершения процесса очищения потребовалась дальнейшая обработка. Согласно отчету 1994 года в журнале Chemistry and Industry, биореакторы, использующие анаэробную переваривание Methanothrix soehngenii или Methanosarcina, производили меньше побочных продуктов, чем аэробные аналоги. Метаносарциновые реакторы работают при температуре от 35 до 55 °C и pH от 6,5 до 7,5. Исследователи искали способы использовать способность метаносарицы вырабатывать метан в качестве альтернативного источника энергии. В декабре 2010 года исследователи из Университета Арканзаса успешно встроили ген в M. acetivorans, который позволил ему разрушать эфиры. Они утверждали, что это позволит более эффективно преобразовывать биомассу в метан для производства электроэнергии. В 2011 году было показано, что большая часть метана, образующегося при разложении на свалках, поступает от M. barkeri. Исследователи обнаружили, что микробы могут выживать в условиях низкого рН и потребляют кислоту, тем самым повышая рН и позволяя расширяться жизни. Они утверждали, что их результаты могут помочь ускорить исследования использования метана, генерируемого архей, в качестве альтернативного источника энергии.