Исследование показало, что гораздо больше бактерий производят парниковые газы, чем считалось ранее

Исследователи Калифорнийского технологического института обнаружили новый класс ферментов, которые позволяют множеству бактерий «дышать» нитратом в условиях низкого содержания кислорода. Хотя это эволюционное преимущество для выживания бактерий, в результате этого процесса образуется парниковый газ закись азота (N₂O) в качестве побочного продукта, третьего по силе парникового газа после углекислого газа и метана.

Однако, в отличие от углекислого газа, закись азота недолговечна в атмосфере, а это означает, что любые меры по ограничению ее выбросов могут принести немедленную пользу. Например, чрезмерное использование удобрений для сельскохозяйственных культур обеспечивает почвенные бактерии обильным количеством нитратов, которые они затем превращают в закись азота. Более разумное применение удобрений может как сократить выбросы парниковых газов, так и сэкономить деньги фермеров.

«Закись азота — гораздо более трудный для мониторинга парниковый газ, чем углекислый газ, но благодаря этому исследованию мы теперь знаем, что существует гораздо больше источников, производящих закись азота, чем считалось ранее», — говорит Вуди Фишер, профессор геобиологии и старший исследователь нового исследования. .

«Понимание того, где и когда этот газ выбрасывается в атмосферу, может помочь нам принимать более разумные решения. В недалеком будущем фермер будет иметь информацию о сообществах микробов, присутствующих в его почве, что позволит принимать обоснованные решения о том, как и когда использовать удобрения для здоровья ландшафта».

Статья с описанием исследования появилась 20 июня в журнале. Труды Национальной академии наук.

Команда под руководством бывшего постдокторанта Ранджани Мурали и главного исследователя Джеймса Хемпа исследовала геномные последовательности десятков тысяч различных видов микробов в различных средах на Земле. Большинство клеток в биосфере используют определенные белки, называемые редуктазами, для дыхания или дыхания кислорода, но Мурали и ее команда обнаружили широкий спектр редуктаз, которые развили тесно связанные белки для дыхания оксида азота, производя при этом оксид азота.

Оксид азота и закись азота — это промежуточные химические вещества, образующиеся во время денитрификации — процесса, в ходе которого бактерии расщепляют нитрат — химическое вещество, содержащееся в удобрениях. Бактерии способны переключаться с дыхания кислородом на оксид азота во многих различных средах — водно-болотных угодьях, альпийских почвах, озерах и т. д. — когда уровень кислорода начинает падать ниже примерно 10% от атмосферного уровня.

«Мы пропустили большие регионы биосферы, где производилась закись азота, потому что эти белки не были обнаружены», — говорит Фишер. «Теперь мы можем гораздо точнее предсказать, используя информацию о геномной последовательности, какие организмы и в каких средах производят закись азота. Их гораздо больше, чем мы думали».

Геобиологи ранее считали, что анаэробные пути, такие как нитратное дыхание, эволюционно появились раньше способности дышать кислородом у наших ранних одноклеточных предков. По словам Фишера, это исследование «переворачивает сценарий», демонстрируя, что белки, которые обеспечивают нитратное дыхание, на самом деле произошли от тех, которые дышат кислородом, два миллиарда лет назад.

«Микробиологи часто предсказывают, какой метаболизм способны осуществлять микробы, основываясь на сравнительной геномике», — объясняет соавтор Джеймс Хемп, бывший научный сотрудник Калифорнийского технологического института, ныне работающий в компании Meliora.bio в штате Юта.

«Однако эти гипотезы редко проверяются экспериментально. Наша работа резко увеличила биохимическое разнообразие одного из наиболее изученных семейств ферментов в микробиологии. Это должно служить предупреждением о том, что автоматизированный метаболический анализ без экспериментальной проверки может привести к неверным выводам о функциях микробов и сообществ».

Мурали, ныне преподаватель Университета Невады в Лас-Вегасе, является первым автором исследования. Помимо Мурали, Фишера и Хемпа, соавторами Калифорнийского технологического института являются бывшие аспиранты Л. М. Уорд (доктор философии ’17), ныне Смит-колледж, и Уша Ф. Лингаппа (доктор философии ’21), ныне работающий в Калифорнийском университете в Беркли. Дополнительными соавторами являются Лаура А. Пейс из Meliora.bio, Роберт А. Сэнфорд и Роберт Б. Геннис из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, а также Маккензи М. Лайнс и Роланд Хатценпихлер из Университета штата Монтана.