Живые существа из ада: как организм в кипятке меняет наше понимание жизни

Представьте себе яйцо, которое не сворачивается, когда вы его жарите. Или наоборот — белок, который остаётся жидким даже в раскалённом масле. Звучит как научная фантастика? А теперь забудьте про яйца. Природа уже миллиарды лет делает нечто подобное, и учёные наконец начали понимать как.

Организм с говорящим именем

В океанских глубинах, в вулканических жерлах, где температура зашкаливает за точку кипения воды, живёт бактерия с красноречивым названием Methanocaldococcus infernus. «Infernus» — значит «адский». И поверьте, название подобрано не просто так.

Как вообще можно выживать там, где вода горячее, чем в любом чайнике? Ответ кроется в ферменте под названием нитрогеназа.

Нитрогеназа: молекула, которую вы не проходили в школе

Задача этого белка — разрушать тройную связь между молекулами азота в воздухе. Азота в атмосфере полно, но растения и животные не могут использовать его напрямую. Нужна химическая обработка.

Большинство организмов вообще не умеют это делать. Они зависят от микробов, которые выполняют всю грязную работу. Такой вот невидимый сервис, без которого жизнь на Земле просто невозможна.

Так вот, нитрогеназа из M. infernus делает эту химию при таких температурах, при которых любой другой белок давно развалился бы на части. Исследователи выяснили: фермент начинает разрушаться только около 90°C, а отдельные его фрагменты выживают даже при 98°C. Для сравнения — ваши собственные белки денатурируют при гораздо более низких температурах.

Ведущий исследователь Тристан Вагнер удачно сравнил это с варкой яйца. Обычные белки ведут себя как яичный белок — попробуйте их нагреть, и они сворачиваются безвозвратно. А этот фермент из археи специально создан работать в условиях, убивающих конкурентов.

Странная находка

Когда команда изучила молекулярную структуру фермента с помощью рентгеновских лучей синхротрона (во Франции, если кому интересно), обнаружилось нечто неожиданное.

Эта нитрогеназа содержит структурные элементы всех трёх известных семейств этих ферментов — молибденового, ванадиевого и железного. Представьте себе артефакт, в котором сочетаются черты инструментов каменного века, бронзового и железного. Вот примерно так это выглядит на молекулярном уровне.

Такая комбинация наводит на мысль: этот фермент может быть очень похож на прародителя всех современных нитрогеназ — того самого, который существовал миллиарды лет назад, до того как семейства разошлись. Своего рода молекулярная капсула времени.

Самое интересное

Учёные поймали так называемое «рабочее состояние» фермента, которое раньше видели только у ванадиевых и железных форм. Этот момент — промежуточная стадия реакции расщепления азота — крайне сложно зафиксировать.

Но вот что это значит: все типы нитрогеназ, вероятно, работают по одному базовому принципу. Разные формы — это вариации на общую тему, ответы на одну и ту же задачу.

А зачем нам это знать?

Нитрогеназа — основа азотного цикла, а значит, основа всей жизни на планете. Понимание того, как работают эти ферменты (особенно экстремофильные версии), может пригодиться:

• в сельском хозяйстве
• в создании новых технологий
• в поиске жизни на других планетах

Если организмы способны выполнять жизненно важную химию в условиях, которые мы считали невозможными — может, мы слишком узко мыслим насчёт того, где ещё может существовать жизнь?

Вместо заключения

Есть что-то по-настоящему захватывающее в осознании того, что жизнь миллиарды лет ставила химические эксперименты в глубинах океана, решая задачи, которые наши лучшие лаборатории до сих пор осваивают. И кто знает — возможно, в этой древней мудрости прячутся подсказки для более устойчивого будущего. Или хотя бы понимание того, насколько изобретательной бывает биология.