Биологи из Медицинской школы при Гарвардском университете попытались раскрыть загадки углеродного цикла, т.е. процесса, в котором углерод переходит из атмосферы в растения, океаны, почву, земную кору и возвращается назад в атмосферу. Профессор Памела Сильвер с коллегами опубликовала результаты исследований в последнем номере журнала Science.

Одним из главных действующих лиц круговорота углекислого газа в природе являются цианобактерии, живущие в океане одноклеточные нитчатые организмы размером в среднем 2 мкм. Они являются одними из наиболее распространенных живых организмов на планете, и согласно общепринятой теории, именно с помощью этих бактерий появилась кислородсодержащая атмосфера на Земле. Оказалось, что процесс утилизации углеводорода этими одноклеточными организмами сложнее, чем ранее представлялось ученым. Согласно результатам исследований, проведенных биологами Медицинской школы при Гарвардском университете, цианобактерии повторно используют и перерабатывают около 40% углекислого газа в углеродном цикле. Для этого они создают внутри себя целые фабрики по переработке этого тепличного газа -- карбоксисомы. С помощью специального фермента двуокись углерода захватывается из атмосферы, удерживается, а затем перерабатывается в сахар, который бактерия затем использует для производства энергии.

«Океан насыщен этими бактериями, -- объясняет профессор Сильвер. -- Изучая их, мы сумеем лучше понять, как живет и работает наша планета. В океане происходит много процессов, которые могут пригодиться человечеству».

В ходе исследования ученые «прикрепляли» флуоресцентные маркеры к белкам, из которых состоит карбоксисома, и внимательно следили под микроскопом за их развитием. Наблюдения принесли несколько сюрпризов. Например, выяснилось, что цианобактерия создает и выстраивает карбоксисомы не хаотично, а в строгом порядке, в соответствии со своими размерами и размещает их равномерно по всей своей длине.

Оказывается, что бактерии очень сложный организм, несмотря на свое одноклеточное строение. Биологи из Гарварда, к примеру, обнаружили, что за расстановку карбоксисом в необходимом порядке, строго одна за другой, отвечает белок parA. Когда они при помощи определенных воздействий заставляли бактерию не вырабатывать этот белок, вся стройность в распределении карбоксисом исчезала.

У цианобактерий с пониженным уровнем parA снижена сопротивляемость внешним воздействиям. В клетках «нормальных» бактерий число карбоксисом постоянно. Это оптимизирует переработку двуокиси углерода и сопротивляемость бактерий неблагоприятным воздействиям. Бактерии же с низким уровнем белка parA производят дочерние клетки, у которых вообще может не быть карбоксисом или, наоборот, может быть слишком много. Клетки с недостаточным количеством белков или вообще без них не только делятся медленнее, но и перерабатывают на 50% меньше углекислого газа по сравнению с дочерними клетками с избытком белка.

Кроме того, гарвардские ученые обратили внимание на интересную динамику развития белка parA в «ненормальных» клетках. Тысячи белков снова и снова собираются вместе и очень быстро передвигаются из одного конца бактерии в другой. Белок parA, кстати, имеется у множества других видов бактерий, но в них он разделяет хромосомы во время деления клеток.

Результаты исследования Памелы Сильвер должны помочь биологам в один прекрасный день создать искусственные бактерии, которые тоже будут выполнять заданные функции. Сейчас профессор из Гарварда пытается выяснить, может ли карбоксисома помочь в оптимизации производства водорода искусственно созданной бактерией. Трудность создания таких бактерий, вырабатывающих водород, заключается в том, что производящие водород протеины чувствительны к кислороду. Вполне возможно, что карбоксисомы помогут решить эту проблему, потому что их внешние оболочки защищают от кислорода протеины.