Эффективная азотфиксация появилась после становления кислородной атмосферы на планете

Цианобактерия Anabaena variabilis, несмотря на аэробное существование, способна фиксировать азот. Азотфиксация происходит у этой бактерии в гетероцистах (крупных клетках с утолщенными стенками), предотвращающих доступ кислорода в клетку. У этой бактерии азотфиксация катализируется ванадийсодержащими ферментами, а не молибденсодержащими, как у большинства других микроорганизмов. Фото с сайта dictall.com
Цианобактерия Anabaena variabilis, несмотря на аэробное существование, способна фиксировать азот. Азотфиксация происходит у этой бактерии в гетероцистах (крупных клетках с утолщенными стенками), предотвращающих доступ кислорода в клетку. У этой бактерии азотфиксация катализируется ванадийсодержащими ферментами, а не молибденсодержащими, как у большинства других микроорганизмов. Фото с сайта dictall.com

Азотфиксация — способность микроорганизмов восстанавливать стабильную молекулу азота до аммиака — служит основным источником биодоступного азота для всех обитателей нашей планеты. Эволюция генов, связанных с этим важнейшим процессом, отражает условия, в которых работали микроорганизмы-азотфиксаторы. Реконструкция филогенеза этих генов, проведенная американскими биохимиками, показывает, что процесс азотфиксации стартовал по крайней мере 3–3,5 млрд лет назад, но эффективная система, основанная на работе железо-молибденового (Fe-Mo) каталитического комплекса, образовалась существенно позже — 1,5–2,2 млрд лет назад, то есть после оксигенизации планетарной среды. Это исследование дополняет наши представления о взаимодействии геохимической и биохимической эволюции, сумма подобных знаний в перспективе должна дать картину эволюции нашей планеты в целом.

Изучение древнейших этапов истории нашей планеты оказывается невероятно трудной задачей в основном из-за отсутствия прямых фактов, с нею связанных. Ученые оперируют геологическим материалом и, соответственно, геологическими теориями о формировании планеты; также в их распоряжении имеются данные геохимические — тут учитываются соотношения различных элементов и их динамика в геологическом прошлом. В последние годы всё большую силу набирают биологические данные.

Методологический подход таков: жизнь существовала (или возникла — сегодня никто уже не уверен, какой глагол следует употреблять) на планете практически сразу после формирования планетарной коры. 3,5 млрд лет назад планету уже населяли микроорганизмы, ученым известны микрофоссилии этого возраста. Все организмы адаптированы к условиям, в которых они должны жить и успешно размножаться. Таким образом, изучив адаптации древних обитателей планеты, можно реконструировать условия, к которым они были приспособлены. Дело за древнейшими организмами. Или за их генами, в которых содержится информация о тех самых адаптациях. Построив филогенез генов, ответственных за ту или иную адаптацию, можно отследить гипотетический ход условий среды, ее сформировавших.

Подход этот ничем не лучше и не хуже, чем геологический или химический (геохимический), это просто еще один подход. Но его результаты должны быть учтены и увязаны с выводами, полученными другими методами. Если концепция отражает реальность, то заключения, по отдельности шаткие, становятся более устойчивыми и правомерными. Однако из-за общей новизны подхода, огромного потенциала расшифрованных генетических записей, просто колоссального шквала сведений о расшифрованных геномах биологическому подходу сейчас придается первостепенное значение. «Элементы» уже обращались к этой теме: на основе филогенезов отдельных групп генов предпринимались попытки реконструировать температурные условия (см.: Экспериментальные белки помогают узнать о климате древнейших эпох, 09.02.2008; Общий предок бактерий и архей предпочитал прохладу, 26.12.2008), выявить признаки перемены содержания серы, железа, кислорода (Ускоренная эволюция бактерий происходила 3 млрд лет назад, 29.12.2010).

В действительности, тема эта перспективная, и изрядная часть статей в журналах Geobiology и Geomicrobiology посвящена именно ей. Качество выводов, как и всегда, зависит от качества исходных материалов и посылок. Исследование, опубликованное Джоном Петерсом (John Peters) и его коллегами из университетов Монтаны и Аризоны, представляет собой пример аккуратной работы, основанной на компактной группе генов. Потому выводы работы выгодно отличаются от других подобных размышлений своей надежностью.

Авторы исследовали эволюцию генов, организующих фиксацию азота. Они ограничились комплексом, связанным с синтезом и работой нитрогеназ — ферментов, катализирующих восстановление азота, превращая его в аммиачные соединения. Основными агентами этого комплекса являются сама нитрогеназа и железо-серный (Fe-S) комплекс. Чтобы разорвать весьма стабильную молекулу азота, требуется энергия. Ее источником служит АТФ: на каждую синтезированную молекулу аммиака уходит минимум 12 молекул АТФ. Процесс, конечно, затратный, но и приобретение стоящее, так что владельцы нитрогеназ обладают очень ценным биохимическим инструментарием.

Структура молекулы нитрогеназы: синие + фиолетовые «молекулы» — тетрамер Fe-Mo-комплекса (молибден — ярко-красный), зеленые нити –Fe-S-белок, между ними — кластер с фосфором; с обеих сторон к этому комплексу присоединяются молекулы АТФ, по две с каждой стороны. Передача электрона показана черными стрелками. Схема с сайта www.pdb.org
Структура молекулы нитрогеназы: синие + фиолетовые «молекулы» — тетрамер Fe-Mo-комплекса (молибден — ярко-красный), зеленые нити –Fe-S-белок, между ними — кластер с фосфором; с обеих сторон к этому комплексу присоединяются молекулы АТФ, по две с каждой стороны. Передача электрона показана черными стрелками. Схема с сайта www.pdb.org. Более подробно о строении и эволюции нитрогеназы см. здесь

Разделение молекулы азота осуществляется за счет переноса электронов с АТФ на ионы металлов, встроенных в нитрогеназный комплекс. С АТФ электрон передается на ион Fe-S-комплекса, оттуда — на Fe-Mo-нитрогеназу. Молибден может быть у некоторых бактерий заменен на ванадий или железо. Ванадий- или железосодержащие нитрогеназы работают хуже, чем молибденовые. Те микроорганизмы, у которых имеются ванадиевые и железные варианты нитрогеназы, часто снабжены и молибденовой. Иными словами, складывается впечатление, что немолибденовые нитрогеназы вторичны и сформировались на случай работы в особых условиях.

Считается, что белки нитрогеназы произошли путем удвоения гена, кодирующего одну из ее частей (на картинке вверху две части нитрогеназы показаны синим и фиолетовым цветами). Затем произошла дупликация всего комплекса и образовался ген белка, регулирующего свертывание Fe-Mo-белка. Без него молибденовая нитрогеназа не работает или работает очень медленно. Так что это ключевое событие в эволюции молибденовой нитрогеназы. Кроме того, произошло еще одно эволюционное событие — слияние части определенных генов (Х и В на схеме внизу), — и в результате ускорилось формирование предшественника Fe-Mo-кофактора. На схеме внизу показаны фрагменты комплекса эффективной молибденовой нитрогеназы.

На этой схеме показаны гены, сформировавшие эффективный нитрогеназный комплекс и их варианты у реальных микроорганизмов Рисунок из обсуждаемой статьи в Geobiology
На этой схеме показаны гены, сформировавшие эффективный нитрогеназный комплекс и их варианты у реальных микроорганизмов: H — Fe-S-комплекс нитрогеназы, D и K- части нитрогеназы, одна из которых произошла от другой путем удвоения гена (синяя и фиолетовые части на верхней схеме), E и N — дупликация комплекса DK, X и B слияние генов, в результате чего получился эффективный предшественник Fe-Mo-кофактора (на схеме это эволюционное событие вынесено в отдельную рамку). Рисунок из обсуждаемой статьи в Geobiology

Какие из этих металлсодержащих ферментов были первичны, а какие произошли от них позже — молибденовые, ванадиевые или железные? Порядок и время возникновения металлсодержащих ферментов, вполне вероятно, отражают условия, в которых микроорганизмам приходилось выполнять фиксацию азота. Ученые собрали данные обо всех микроорганизмах, обладающих комплексом нитрогеназ, будь то ванадиевая, железная или молибденовая нитрогеназа, для которых имелась расшифровка генов всего нитрогеназного комплекса. Таких оказалось около 40 видов. Они включали архей и бактерий.

Филогенетическое древо обладателей комплекса нитрогеназной активности; голубым цветом отмечены линии, которые имеют все компоненты нитрогеназного комплекса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geobiology
Филогенетическое древо обладателей комплекса нитрогеназной активности; голубым цветом отмечены линии, которые имеют все компоненты нитрогеназного комплекса. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geobiology

Для них были выстроены различные филогенетические схемы, соответствующие различным генам нитрогеназного комплекса, затем проведена процедура составления наиболее парсимоничного (экономного) ветвления. На полученной схеме отмечены события дупликации, указано, где какой ион металла работает, а также какой из типов микроорганизмов имеет данный тип последовательности. Такая вот многомерная информация. (Предупреждение для заинтересованных читателей: подписи под рисунками оригинальной статьи на редкость неинформативны, поэтому придется подключить весь свой интеллект и глобальный www-разум, чтобы разобраться в деталях полученных схем.) Анализ полученного многомерного дерева позволил сделать следующие заключения.

Эволюционное событие второй дупликации (DK → EN) происходило параллельно в архейных и бактериальных линиях. Отсюда авторы заключили, что ключевой этап эволюции молибденовой нитрогеназы следует связывать не с LUCA (последним универсальным общим предком). Если бы этот комплекс сформировался у последнего общего предка бактерий и архей, то обе группы продемонстрировали бы значительное сходство в соответствующих генах. По мнению авторов статьи, это событие изначально произошло в группе гидрогенотрофных метаногенов (архебактерий), а затем было в результате горизонтального переноса подхвачено и бактериями, обитавшими в сходных условиях.

Примечательно, что в основе филогенетических схем оказались микроорганизмы вовсе не с молибденовыми нитрогеназами, а с железными и ванадиевыми. Это говорит о том, что ванадиевая нитрогеназа могла быть первичной по отношению к молибденовой. Порядок диверсификации белков DK, содержащих ванадий, не совпадает с диверсификацией белков, содержащих молибден. Причиной несовпадения может быть как недостаток данных по геномам, так и действительная разница в эволюции ванадиевых и молибденовых нитрогеназ. Авторы отмечают, что эту сторону эволюции нитрогеназ еще нужно проверять на большем массиве данных.

Судя по скорости эволюции, оцененной по скорости нуклеотидных замен, молибденовая нитрогеназа сформировалась около 1,5–2,2 млрд лет назад (эти минимальная и максимальная оценки учитывают минимальные и максимальные оценки возраста появления жизни и кислородного дыхания на планете), то есть уже после или в ходе насыщения кислородом земной среды. Начало эволюции нитрогеназ приходится на возраст 3,5–3 млрд лет назад.

В это время фиксацию азота осуществлял металлофермент без эффективного кофактора; этот комплекс справляется с задачей фиксации азота медленно, хотя работает с широким кругом субстратов. В течение 800-миллионолетнего промежутка фиксацию азота неизменно осуществлял именно этот неспециализированный и медленный биохимический инструмент. В условиях анаэробного океана молибден был мало доступен из-за низкой растворимости молибденовых соединений в анаэробных, насыщенных сероводородом средах (сульфид молибдена нерастворим в воде в отсутствие кислорода; добавление в среду кислорода переводит его в растворимый оксид молибдена). Поэтому вполне вероятно, что микроорганизмы использовали для азотфиксации различные металлоферменты с более доступными в тех условиях катионами — ванадиевыми и железными. Диверсификация шла именно в этом направлении.

Затем по мере оксигенизации среды условия резко изменились, и азотфиксация потребовала дополнительных средств (авторы не указали, из-за чего прежние способы азотфиксации при оксигенизации среды оказались малопригодны, однако, судя по результату, причина была очень веской). Пришлось обитателям протерозойского океана искать пути для повышения эффективности процесса, так что в ходе эволюции образовался кофермент нитрогеназы и вместе с ним аппарат для его изготовления (эффективный предшественник кофермента). Доступность молибдена в кислородных средах увеличилась. Хотя при этом сам процесс азотфиксации должен и может идти в строго анаэробных условиях.

Авторы предположили, что в протерозойском океане существовали особые биохимические ниши — бескислородные, но в то же время с очень невысоким содержанием сероводорода. При таком сочетании химических элементов молибден не осаждался. Предположительно такие условия существовали в нижних слоях океана. Там сероводород мог утилизироваться как сообществом метаногенов, так и осаждаться двухвалентным железом. А молибден поступал из верхних, кислородных, слоев океана. Авторы также учли в своих рассуждениях, что в нижних слоях океана абиотически фиксированный азот оказался в дефиците, так что становлению результативной азотфиксации способствовали и необходимость восполнить жизненно важный ресурс, и новое соотношение доступных «рабочих» катионов.

Источник: E. S. Boyd, A. D. Anbar, S. Miller, T. L. Hamilton, M Lavin, J. W. Peters. A late methanogen origin for molybdenum-dependent nitrogenase // Geobiology. 2011. V. 9. P. 221–232.

Елена Наймарк


7
Показать комментарии (7)
Свернуть комментарии (7)

  • olegov  | 25.05.2011 | 10:02 Ответить
    Очень логичные данные. Если вспомнить, что становление жизни происходило в относительно простых условиях, то и элементы используемые в первых каталитических системах должны быть самыми распространенными и простыми, т.е. железо. И факт постепенного роста эффективности катализатора хорошо укладывается в гипотезу абиогенеза, совершенно очевидно что первые катализаторы представляли собой довольно примитивные комплексы металлов и белков, которые по сути образуются сами по себе в пробирке, а дальше отбор более эффективного фермента включит эволюцию к сложному. Эта работа не только дополняет информацию о ранней земле, но и о происхождении жизни.
    Ответить
  • Алексей Гиляров  | 25.05.2011 | 11:11 Ответить
    Очень интересная работа и превосходно Елена Наймарк изложила суть проблемы. Вспомнил, что когда-то очень давно читал статью о том, что в Австралии плохо росли бобовые, посеянные как раз для обогащения почвы азотом (с бобовыми как известно связаны азотфиксирующие бактерии-симбионты). Но распыление над полями мизерного количества молибдена (около 1 г на гектар) оказалось достаточным, чтобы все нормализовалось.
    Ответить
  • Combinator  | 26.05.2011 | 10:40 Ответить
    Елена, спасибо за интересный обзор.
    Кстати, на мой взгляд, на схеме, показывющей структуру кластера генов нитрогенеза, неплохо было бы добавить и названия соответствующих бактерий, иначе её довольно трудно интерпретировать.
    И ещё мне не совсем понятно вот это место в обзоре:
    *********************************************************
    Эволюционное событие второй дупликации (DK → EN) происходило параллельно в архейных и бактериальных линиях. Отсюда авторы заключили, что ключевой этап эволюции молибденовой нитрогеназы следует связывать не с LUCA (последним универсальным общим предком). Если бы этот комплекс сформировался у последнего общего предка бактерий и архей, то обе группы продемонстрировали бы значительное сходство в соответствующих генах. По мнению авторов статьи, это событие изначально произошло в группе гидрогенотрофных метаногенов (архебактерий), а затем было в результате горизонтального переноса подхвачено и бактериями, обитавшими в сходных условиях.
    ********************************************************
    Если появление Fe-Mo-нитрогеназы в результате дубликации генов произошло независимо у фирмикут и архей-метаногенов, то при чём тут горизонтальный перенос? И если всё-таки говорить о горизонтальном переносе, то почему именно от архей к фирмикутам, а не наоборот?
    Ответить
    • naimark > Combinator | 26.05.2011 | 14:33 Ответить
      На этом рисунке впереди схемы пририсован филогенез микроорганизмов, базовых для этой работы. Но там такие обозначения, что я, во-первых, не смогла сама полностью в них разобраться, во-вторых, не решилась пугать читателей (все же элементы читают не только биоинформатики!) этой страшной и малопонятной схемой.
      Что же касается происхождения молибденовой нитрогеназы у архей, а не бактерий, то тут основой для вывода послужила в основном эволюция генов В и Х (в действительности, связанных с биосинтезом бактериохлорофиллов). Я не смогла это популярно объяснить, так что решила пропустить это место. Если нужно, то я могу статью прислать Вам. Но по-моему, она в открытом доступе.
      Ответить
      • Combinator > naimark | 26.05.2011 | 23:48 Ответить
        Спасибо за разьяснения. В открытом доступе этой статьи я не нашёл, но по своим каналам мне всё же удалось её заполучить. Если после её прочтения у меня появятся какие-нибудь свежие мысли, постараюсь их здесь изложить.
        Ответить
      • Combinator > naimark | 27.05.2011 | 18:56 Ответить
        Кажется, более-менее разобрался.
        На "страшной и малопонятной" :) схеме филогенеза SAM фрагмента гена NifB (обозначен на схеме синими фигурами) корень без особых объяснений просто заякорен на ген биосинтеза молибдена (MoaA) фирмикут. Это, в свою очередь, с учётом фактической структуры дерева автоматом приводит к выводу о том, что направление распространения этого гена, и, как следствие, всего комплекса нитрогенезы в целом, было от метанобактерий и метанококов к метаносарцинам и фирмикутам, а не наоборот. По видимому, сработал стереотип, что метаногены в любой филогении должны быть самыми старыми. :)
        Любопытно, что даже простой логическиий анализ порядка расположения генов в кластере сразу приводит к выводу о том, что корень скорее должен быть ближе к клостридиям, чем к метаногенам. Это тем более логично, что гены нитрогенезы имеют общее происхождение с генами синтеза хлорофилла, а единствненный (и, кстати, простейший) из известных на сегодня фотосинтетиков среди клостридий располагается как раз максимально близко к точке предпологаемого HGT. Что же касается метаногенов, то у них, как известно, никакого хлорофилла и близко нет.
        А вот как эволюция генов B и X доказывает приоисхождение нитрогенезы у архей я, по правде говоря, в статье не нашёл.
        Ответить
  • Alex_V  | 17.12.2011 | 18:13 Ответить
    Бессмысленно говорить об эволюции гена, в котором каталитический центр сплошь состоит из металлов. Они же не кодируются на ДНК. Это пострансляционная обработка белка и следует акцентировать внимание на изменение метаболизма, где увязан каскад совсем иных генов.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»