Углерод и азот являются важнейшими элементами жизни. Некоторые организмы занимают ключевые позиции для круговорота их обоих - среди них Метанотермококк thermolithotrophicus. За сложным названием скрывается сложный микроб. M. thermolithotrophicus является морским теплолюбивым метаногеном. Он обитает в океанских отложениях, от песчаных побережий и соленых болот до глубоководных районов, предпочтительно при температуре около 65 ° C. Он способен превращать азот (N₂) и двуокись углерода (CO₂) в аммиак (NH₃) и метан (CH₄) с использованием водорода (H₂). Оба продукта, аммиак и метан, очень интересны для биотехнологического применения в производстве удобрений и биотоплива.

Тристану Вагнеру и Невене Маслач из Института морской микробиологии им. Макса Планка удалось вырастить этот микроб в ферментере - непростая задача. "Очень сложно обеспечить идеальные условия для процветания этого микроба при фиксации N₂ -- высокие температуры, отсутствие кислорода и наблюдение за уровнем водорода и углекислого газа", - говорит Маслач, которая проводила исследование в рамках своего докторского проекта. "Но с некоторой изобретательностью и настойчивостью нам удалось заставить их процветать в нашей лаборатории и достичь самой высокой плотности клеток, о которой сообщалось до сих пор". Как только культуры были запущены, ученые смогли детально изучить физиологию микроба, а позже углубить свои исследования, посмотрев, как метаболизм микроба адаптируется к N₂- фиксация. "В тесном сотрудничестве с нашими коллегами Чандни Сидху и Ханно Тилингом мы объединили физиологические тесты и дифференциальную транскриптомику, что позволило нам глубже изучить метаболизм M. thermolithotrophicus, - объясняет Маслач.

Такой же невероятный, как шмель

Метаболические способности M. thermolithotrophicus вызывают недоумение: эти микробы используют метаногенез, метаболизм, который возник на ранней бескислородной Земле, для получения своей клеточной энергии. По сравнению с людьми, которые используют кислород для превращения глюкозы в углекислый газ, метаногены получают лишь очень ограниченное количество энергии от метаногенеза. Парадоксально, но фиксация азота требует гигантского количества энергии, что привело бы к их истощению. "Они немного похожи на шмелей, которые теоретически слишком тяжелы, чтобы летать, но, очевидно, тем не менее летают", - говорит старший автор Тристан Вагнер, руководитель исследовательской группы Макса Планка "Микробный метаболизм". "Несмотря на такое ограничение энергии, было обнаружено, что эти удивительные микробы даже являются основными фиксаторами азота в некоторых средах".

Мощная нитрогеназа

Фермент, который организмы используют для фиксации азота, называется нитрогеназой. Наиболее распространенным нитрогеназам для проведения реакции требуется молибден. Нитрогеназа молибдена хорошо изучена у бактерий, живущих как симбионты в корнях растений. Их нитрогеназа может быть ингибирована вольфраматами. Удивительно, но бременские ученые обнаружили, что M. thermolithotrophicus не нарушается вольфраматами при выращивании на N₂. "Наш микроб зависел только от молибдена, чтобы фиксировать N₂ и не беспокоится о вольфрамате, что подразумевает адаптацию систем сбора металла, что делает их еще более надежными для различных потенциальных применений", - говорит Маслач.

Переосмысление производства аммиака

Фиксация азота, т.е. получение азота из N₂, является основным процессом для включения азота в биологический цикл. Для промышленного производства удобрений этот процесс осуществляется с помощью процесса Хабера-Боша, который искусственно связывает азот с получением аммиака с водородом при высоких температурах и давлениях. Он используется для производства большей части мирового аммиака, важнейшего удобрения для поддержания глобального сельского хозяйства. Процесс Haber-Bosch чрезвычайно энергоемкий: он потребляет 2% мировой выработки энергии и в то же время выделяет до 1,4% глобальных выбросов углекислого газа. Таким образом, люди ищут более устойчивые альтернативы для производства аммиака. "Процесс, используемый M. thermolithotrophicus показывает, что в мире микробов все еще существуют решения, которые могли бы обеспечить более эффективное производство аммиака, и что их можно даже комбинировать с производством биотоплива с помощью метана", - говорит Вагнер. "С помощью этого исследования мы поняли, что под N₂- фиксируя условия, метаноген жертвует производством белков в пользу захвата азота, что является особенно разумной стратегией перераспределения энергии", - резюмирует Вагнер. "Нашим следующим шагом будет изучение молекулярных деталей процесса и задействованных ферментов, а также изучение других частей метаболизма организма".