Фіксація азоту – здатність мікроорганізмів відновлювати стабільну молекулу азоту до аміаку – служить основним джерелом біодоступного азоту для всіх мешканців нашої планети.

Еволюція генів, пов'язаних з цим найважливішим процесом, відображає умови, в яких працювали мікроорганізми-азотфіксаторів. Реконструкція філогенезу цих генів, проведена американськими біохіміками, показує, що процес азотфіксації стартував принаймні 3-3,5 млрд років тому, але ефективна система, заснована на роботі залізо-молібденового (Fe-Mo) каталітичного комплексу, утворилася значно пізніше – 1 ,5-2, 2 млрд років тому, тобто після оксігенізаціі планетарної середовища. Це дослідження доповнює наші уявлення про взаємодію геохімічної та біохімічної еволюції, сума подібних знань в перспективі повинна дати картину еволюції нашої планети в цілому.

Вивчення найдавніших етапів історії нашої планети виявляється неймовірно важким завданням в основному через відсутність прямих фактів, з нею пов'язаних. Вчені оперують геологічним матеріалом і, відповідно, геологічними теоріями про формування планети, а також в їх розпорядженні є дані геохімічні – тут враховуються співвідношення різних елементів і їх динаміка в геологічному минулому. В останні роки все більшої сили набирають біологічні дані.

Методологічний підхід такий: життя існувало (або виникла – сьогодні ніхто вже не впевнений, який дієслово слід вживати) на планеті практично відразу після формування планетарної кори. 3,5 млрд років тому планету вже населяли мікроорганізми, ученим відомі мікрофоссіліі цього віку. Всі організми адаптовані до умов, в яких вони повинні жити й успішно розмножуватися. Таким чином, вивчивши адаптації древніх мешканців планети, можна реконструювати умови, до яких вони були пристосовані. Справа за найдавнішими організмами. Або за їх генами, в яких міститься інформація про тих самих адаптація. Побудувавши філогенез генів, відповідальних за ту чи іншу адаптацію, можна відстежити гіпотетичний хід умов середовища, які її сформували.

Підхід цей нічим не краще і не гірше, ніж геологічний або хімічний (геохімічний), це просто ще один підхід. Але його результати повинні бути враховані і ув'язані з висновками, отриманими іншими методами. Якщо концепція відображає реальність, то укладення, окремо хиткі, стають більш стійкими і правомірними. Однак через загальну новизни підходу, величезного потенціалу розшифрованих генетичних записів, просто колосального шквалу відомостей про розшифрованих геномах біологічному підходу зараз надається першорядне знаение. «Елементи» вже зверталися до цієї теми: на основі філогенезом окремих груп генів робилися спроби реконструювати температурні умови (див.: Експериментальні білки допомагають дізнатися про клімат найдавніших епох, 09.02.2008; Спільний предок бактерій і архей волів прохолоду, 26.12.2008), виявити ознаки зміни вмісту сірки, заліза, кисню (Прискорена еволюція бактерій відбувалася 3 млрд років тому, 29.12.2010).

Насправді, тема ця перспективна, і неабияка частина статей в журналах Geobiology і Geomicrobiology присвячена саме їй. Якість висновків, як і завжди, залежить від якості вихідних матеріалів і посилок. Дослідження, опубліковане Джоном Петерсом (John Peters) і його колегами з університетів Монтани і Аризони, являє собою приклад акуратної роботи, заснованої на компактній групі генів. Тому висновки роботи вигідно відрізняються від інших подібних роздумів своєю надійністю.

Автори досліджували еволюцію генів, які організовують фіксацію азоту. Вони обмежилися комплексом, пов'язаним із синтезом і роботою нітрогенази – ферментів, що каталізують відновлення азоту, перетворюючи його в аміачні сполуки. Основними агентами цього комплексу є сама нитрогеназа і залізо-сірчаний (Fe-S) комплекс. Щоб розірвати досить стабільну молекулу азоту, потрібна енергія. Її джерелом служить АТФ: на кожну синтезовану молекулу аміаку йде мінімум 12 молекул АТФ. Процес, звичайно, витратний, але і придбання варте уваги, так що власники нітрогенази мають дуже цінним біохімічним інструментарієм.

Структура молекули нітрогенази: сині + фіолетові «молекули» – тетрамер Fe-Mo-комплексу (молібден – яскраво-червоний), зелені нитки-Fe-S-білок, між ними – кластер з фосфором; з обох сторін до цього комплексу приєднуються молекули АТФ , по дві з кожної сторони. Передача електрона показана чорними стрілками.

Поділ молекули азоту здійснюється за рахунок перенесення електронів з АТФ на іони металів, вбудованих в нітрогеназний комплекс. З АТФ електрон передається на іон Fe-S-комплексу, звідти – на Fe-Mo-нітрогенази. Молібден може бути у деяких бактерій замінений на ванадій або залізо. Ванадій-або залізовмісні нітрогенази працюють гірше, ніж молібденові. Ті мікроорганізми, у яких є ванадієві і залізні варіанти нітрогенази, часто забезпечені та молібденової. Іншими словами, складається враження, що немолібденовие нітрогенази вторинні і сформувалися на випадок роботи в особливих умовах.

Вважається, що білки нітрогенази відбулися шляхом подвоєння гена, що кодує одну з її частин (на картинці вгорі дві частини нітрогенази показані синім і фіолетовим кольорами). Потімсталася дуплікація всього комплексу і утворився ген білка, що регулює згортання Fe-Mo-білка. Без нього молібденова нитрогеназа не працює або працює дуже повільно. Так що це ключова подія в еволюції молібденової нітрогенази. Крім того, відбулося ще одне еволюційне подія – злиття частини певних генів (Х і В на схемі внизу), – і в результаті прискорилося формування попередника Fe-Mo-кофактора. На схемі внизу показані фрагменти комплексу ефективної молібденової нітрогенази.

На цій схемі показані гени, що сформували ефективний нітрогеназний комплекс і їх варіанти у реальних мікроорганізмів: H – Fe-S-комплекс нітрогенази, D і K-частини нітрогенази, одна з яких сталася від іншої шляхом подвоєння гена (синя і фіолетові частини на верхній схемою ), E і N – дуплікація комплексу DK, X і B злиття генів, в результаті чого вийшов ефективний попередник Fe-Mo-кофактора (на схемі це еволюційний подія винесено в окрему рамку). Малюнок з обговорюваної статті в Geobiology

Які з цих металлсодержащих ферментів були первинні, а які походять від них пізніше – молібденові, ванадієві або залізні? Порядок і час виникнення металлсодержащих ферментів, цілком ймовірно, відображають умови, в яких мікроорганізмам доводилося виконувати фіксацію азоту. Вчені зібрали дані про всі мікроорганізмах, що володіють комплексом нітрогенази, будь то ванадієва, залізнична або молібденова нитрогеназа, для яких була розшифровка генів всього нітрогеназного комплексу. Таких виявилося близько 40 видів. Вони включали архей і бактерій.

Філогенетичне древо володарів комплексу нітрогеназной активності; блакитним кольором відмічені лінії, які мають всі компоненти нітрогеназного комплексу. Малюнок з обговорюваної статті в Geobiology

Для них були збудовані різні філогенетичні схеми, які відповідають різним генам нітрогеназного комплексу, потім проведена процедура складання найбільш парсімонічного (економного) розгалуження. На отриманій схемі відмічені події дуплікації, зазначено, де який іон металу працює, а також який з типів мікроорганізмів має даний тип послідовності. Така ось багатовимірна інформація. (Попередження для зацікавлених читачів: підписи під малюнками оригінальної статті на рідкість неінформативні, тому доведеться підключити весь свій інтелект і глобальний www-розум, щоб розібратися в деталях отриманих схем.) Аналіз отриманого багатовимірного дерева дозволив зробити наступні висновки.

Еволюційний подія другого дуплікації (DK → EN) відбувалося параллельно в архейних і бактеріальних лініях. Звідси автори зробили висновок, що ключовий етап еволюції молібденової нітрогенази слід пов'язувати не з LUCA (останнім універсальним спільним предком). Якщо б цей комплекс сформувався в останнього загального предка бактерій і архей, то обидві групи продемонстрували б значну подібність у відповідних генах. На думку авторів статті, ця подія спочатку відбулося в групі гідрогенотрофних метаногенів (архей), а потім було в результаті горизонтального переносу підхоплено і бактеріями, які жили в схожих умовах.

Примітно, що в основі філогенетичних схем виявилися мікроорганізми зовсім не з молібденовим нитрогеназа, а з залізними та ванадієві. Це говорить про те, що ванадієва нитрогеназа могла бути первинною по відношенню до молібденової. Порядок диверсифікації білків DK, що містять ванадій, не збігається з диверсифікацією білків, що містять молібден. Причиною розбіжності може бути як недолік даних по геномам, так і дійсна різниця в еволюції ванадієвих і молібденових нітрогенази. Автори відзначають, що цей бік еволюції нітрогенази ще потрібно перевіряти на більшому масиві даних.

Судячи по швидкості еволюції, оціненої за швидкістю нуклеотидних замін, молібденова нитрогеназа сформувалася близько 1,5-2,2 млрд років тому (мінімальна та максимальна оцінки враховують мінімальні та максимальні оцінки віку появи життя і кисневого дихання на планеті), тобто вже після або в ході насичення киснем земного середовища. Початок еволюції нітрогенази припадає на вік 3,5-3 млрд років тому.

У цей час фіксацію азоту здійснював металоферментів без ефективного кофактора; цей комплекс справляється із завданням фіксації азоту повільно, хоча працює з широким колом субстратів. Протягом 800-мільйонрічного проміжку фіксацію азоту незмінно виконував саме цей неспеціалізований і повільний біохімічний інструмент. В умовах анаеробного океану молібден був мало доступний через низьку розчинності молібденових сполук в анаеробних, насичених сірководнем середовищах (сульфід молібдену розчиняється у воді за відсутності кисню; додавання в середу кисню переводить його в розчинну оксид молібдену). Тому цілком ймовірно, що мікроорганізми використовували для азотфіксації різні металоферменти з більш доступними в тих умовах катіонами – ванадієвих і залізними. Диверсифікація йшла саме в цьому напрямку.

Потім у міру оксігенізаціі середовища умови різко змінилися, і азотфіксація зажадала додаткових коштів (автори не вказали, через що колишні способи азотфіксації при оксігенізаціі середовища виявилися малопридатні, однак, здя за результатом, причина була дуже вагомою). Довелося мешканцям протерозойського океану шукати шляхи для підвищення ефективності процесу, так що в ході еволюції утворився кофермент нітрогенази і разом з ним апарат для його виготовлення (ефективний попередник коферменту). Доступність молібдену в кисневих середовищах збільшилася. Хоча при цьому сам процес азотфіксації повинен і може йти в строго анаеробних умовах.

Автори припустили, що в протерозойський океані існували особливі біохімічні ніші – безкисневі, але в той же час з дуже невисоким вмістом сірководню. При такому поєднанні хімічних елементів молібден не осідала. Імовірно такі умови були у нижніх шарах океану. Там сірководень міг утилізуватися як спільнотою метаногенів, так і осідати двовалентних залізом. А молібден надходив з верхніх, кисневих, шарів океану. Автори також врахували у своїх міркуваннях, що в нижніх шарах океану абіотичних фіксований азот виявився в дефіциті, так що становленню результативною азотфіксації сприяли і необхідність заповнити життєво важливий ресурс, і нове співвідношення доступних «робочих» катіонів.

За матеріалами: elementy.ru

Tweet