Bakterie zależne od metali ziem rzadkich

Metanotroficzne bakterie Methylacidiphilum fumariolicum z gorących źródeł potrzebują metali ziem rzadkich, by rosnąć.

Zespół, w którego skład wchodzili m.in. naukowcy z Instytutu Badań Medycznych Maxa Plancka, ustalili, że u M. fumariolicum lantan, cer, prazeodym i neodym są kofaktorami utleniającej metanol dehydrogenazy metanolowej (pierwiastki te są potrzebne enzymowi do katalizowania reakcji).

Jak zauważają naukowcy, metale ziem rzadkich nie są wcale rzadkie, bo w skorupie ziemskiej występuje ich więcej niż np. złota czy platyny. Problem polega jednak na tym, że są one stosunkowo równomiernie "rozparcelowane", co oznacza, że wydobycie jest ekonomicznie opłacalne w zaledwie paru miejscach.

W organizmach żywych metale ziem rzadkich są zaś naprawdę rzadkie. Ponieważ nie rozpuszczają się w wodzie, większość organizmów nie może ich wykorzystać w metabolizmie. Tym większe było zaskoczenie mikrobiologów z Radboud University, gdy natknęli się w fumaroli w płytkim kraterze wulkanicznym Solfatara na bakterie, które nie mogą żyć bez niektórych metali ziem rzadkich. M. fumariolicum, bo o nich mowa, czują się najlepiej przy pH wynoszącym od 2 do 5 i przy temperaturze 50-60 st. Celsjusza. Bakterie te tolerują nawet pH równe 1, co odpowiada stężonemu kwasowi siarkowemu.

M. fumariolicum uzyskują energię z metanu. Dysponują enzymem dehydrogenazą metanolową, który z pomocą metalicznych kofaktorów przetwarza metanol pochodzący z rozkładu CH₄.

Podczas badań Holendrzy zauważyli, że M. fumariolicum dobrze sobie radzą wyłącznie w wodzie z fumaroli. Żaden z dodanych pierwiastków śladowych nie prowadził do wzrostu. Analiza składu wody ujawniła, że w oryginalnym środowisku bakterii stężenie metali ziem rzadkich jest 100-1000-krotnie większe od normalnego.

Thomas Barends i Andreas Dietl z Instytutu Badań Medycznych Maxa Plancka przyglądali się trójwymiarowej strukturze dehydrogenazy metanolowej. Stwierdzili, że zamiast wapnia u M. fumariolicum w enzymie występuje inny metal. Nagle wszystko zaczęło pasować. Byliśmy w stanie wykazać, że tajemniczy atom musi być metalem ziem rzadkich. To pierwszy przypadek, gdy odkryto, by pierwiastki ziem rzadkich spełniały taką funkcję - podkreśla Barends.

Metale ziem rzadkich mają nieco większy promień jonowy niż wapń, ale bez problemu go zastępują w roli kofaktora. W łańcuchu aminokwasowym dehydrogenazy wymieniono kilka aminokwasów, by zrobić więcej miejsca dla metali ziem rzadkich. Co istotne, M. fumariolicum pobierają więcej tych pierwiastków, niż potrzebują, co sugeruje, że gdzieś je magazynują.

Analizy genomiczna i proteomiczna wykazały, że opisana wyżej wersja dehydrogenazy jest rozpowszechniona wśród bakterii z wód przybrzeżnych. Bakterie te są prawdopodobnie obecne wszędzie, gdzie występuje wystarczająco dużo piasku, ponieważ piasek jest niemal niewyczerpanym źródłem metali ziem rzadkich - podsumowuje Barends.

Methylacidiphilum fumariolicum bakterie metanotroficzne metale ziem rzadkich lantan cer prazeodym neodym kofaktor dehydrogenaza metanolowa Thomas Barends Andreas Dietl