Археи — своеобразная группа микробов, многие из которых приспособлены к экстремальным условиям. Например, очень высокой солености, где они могут использовать энергию света благодаря особым участкам мембраны с кристаллической организацией. Известно два их типа: пурпурные и бордовые мембраны, причем вторые изучены намного хуже. Пробел восполнила новая работа ученых МФТИ и их коллег, установившая структуру бордовых мембран архей. Результаты опубликованы в журнале «Биохимия».
Все многообразие живого делится на три основных «ствола»: ядерные организмы (эукариоты), бактерии и археи. Археи, которых раньше также называли «архебактериями», на деле оказались уникальными клетками. По сложности организации они наряду с бактериями отнесены к прокариотам (клеткам без ядра), тогда как устройство генома и многие клеточные процессы сближают архей с более сложными эукариотами.
Многие археи населяют экстремальные среды, скажем горячие источники или водоемы с высокой соленостью. Некоторые используют энергию света благодаря своим уникальным адаптациям, в том числе богатым пигментами мембранам. Известно, что галофильная (то есть солелюбивая) архея Halobacterium salinarum имеет особые ярко окрашенные области на цитоплазматической мембране — так называемые пурпурные мембраны (purple membranes).
Пурпурная мембрана представляет собой двумерную гексагональную кристаллическую решетку. Она образована всего одним белком — тримерной (состоящей из трех молекул) формой фоточувствительного протонного насоса, бактериородопсина. Белки окружают липиды с одинаковыми насыщенными «хвостами», но разными полярными головками.
Похожие специализированные мембраны встречаются и у некоторых других архей. В этом случае родопсин соседствует с бактериоруберином, пигментом из группы каротиноидов. Из-за другого оттенка такие мембраны получили название «бордовые» (claret membranes). И если пурпурные мембраны уже неплохо изучены, то бордовые остаются плохо понятными.
Дополнительные сложности связаны с тем, что многие археи относятся к сложно культивируемым микроорганизмам. Это означает, что их непросто содержать в лаборатории, где возможно изучение структуры и физиологии клетки. Такие археи описаны главным образом по метагеномным данным — фрагментам их геномов, которые оказались в окружающей среде.
С этим затруднением справились российские ученые из МФТИ, РХТУ им. Д. И. Менделеева, ОИЯИ и Института цитологии РАН (Санкт-Петербург). Объектом исследования стала архея Haloquadratum walsbyi и ее бордовая мембрана. H. walsbyi живет в непригодных для большинства галофилов очень соленых водоемах с высоким содержанием ионов магния. Этот микроорганизм также примечателен формой клетки: похожей на плоский и очень тонкий квадрат с отчетливыми прямыми углами. H. walsbyi способен перемещаться в толще воды за счет образования везикул с газом.
Суровая среда с недостатком питательных веществ заставила эту архею приобрести собственную уникальную структуру — бордовую мембрану. Выделить ее и описать химические свойства удавалось и раньше, однако структуру бордовых мембран данной археи впервые охарактеризовали в своей статье российские ученые.
Она оказалась отличной от пурпурной мембраны Halobacterium salinarum во многих отношениях. Чтобы это выяснить, авторы нового исследования сперва наработали достаточную биомассу H. walsbyi, что оказалось непросто.
Клетки археи изучали с помощью конфокальной флуоресцентной микроскопии, а ее выделенные бордовые мембраны — с помощью трансмиссионной электронной микроскопии и абсорбционной спектроскопии в ультрафиолетовом диапазоне.
Для сравнения исследователи также выделили и охарактеризовали пурпурную мембрану из Halobacterium salinarum. Как и следовало ожидать на основе других исследований, пурпурная мембрана имела четкую гексагональную организацию с размером ячейки 62 ангстрема. Далее описали тонкие различия в структуре пурпурной мембраны Halobacterium salinarum и бордовой мембраны Haloquadratum walsbyi.
Использовали методы малоуглового и широкоуглового рентгеновского рассеяния. Оба основаны на изменении направления рентгеновских лучей, первый — из-за более крупных неоднородностей образца с незначительным изменением угла, второй — из-за структур меньше нанометра. В этом случае рентгеновские лучи отклоняются уже на значительные углы.
«Структурные методы, такие как мало- и широкоугловое рентгеновское рассеяние, помогают нам понять устройство мембранных наноструктур. По картинам дифракции и профилям рассеяния мы определяем характер пространственной упаковки элементов, из которых складывается архитектура мембраны — белков, липидов и пигментов. Такие исследования невозможны без современной приборной базы. Часть измерений для этой работы мы выполнили на установке Rigaku MicroMax-007 на базе МФТИ, что обеспечило данные требуемого качества для сравнения структур пурпурных и бордовых мембран»,— прокомментировал соавтор исследования Юрий Рижиков, старший научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
В то же время бордовая мембрана показала неожиданную картину рассеяния рентгеновского излучения. Ей лучше всего соответствует ромбоэдрическая кристаллическая решетка, элементарная ячейка которой представляет собой ромб. Размер ячеек в этом случае составил примерно 28 ангстрем, угол между ребрами — около 83 градусов.
Различие дифракционных картин пурпурных и бордовых мембран дало понять исследователям, что образец бордовой мембраны устроен сложнее. Его структура может объясняться различием в составе белков и липидов мембраны, в том числе наличием бактериоруберина, которое подтвердили с помощью спектроскопии в УФ- и видимом диапазонах.
«В работе показаны существенные структурные различия между пурпурными и бордовыми мембранами архей. Они помогают лучше понять устройство их плазмалеммы. Наши результаты подчеркивают критическое значение липидов и пигментов для архитектуры архейных мембран и служат основой для дальнейших исследований их функции»,— отметила Елизавета Дронова, первый автор работы, младший научный сотрудник Центра исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний МФТИ.
_____________________________
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда.
