Коллективу российских ученых удалось продвинуться в понимании механизмов работы архей Geoglobus acetivorans, обитающих в гидротермальных источниках на дне мирового океана. Работа опубликована в журнале Extremophiles.

Археи являются одними из древнейших живых организмов, существующих на Земле. Это одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра. Архей особенно много в океанах, вероятно планктонные археи — самая многочисленная группа ныне живущих организмов. Они играют роль в круговоротах углерода и азота и признаны важной составляющей жизни на Земле. Многие их них живут в экстремальных условиях обитания, при высокой температуре или повышенной солености (в гейзерах, вулканических котлах, горячих источниках), при которых другие организмы жить не могут. Изучение архей представляет большой интерес как для фундаментальной науки, так и для развития биотехнологий. Они применяются, например, в производстве безлактозного молока и молочной сыворотки на технологическом этапе, где температура выше 100 °С.

Несмотря на то, что археи имеют свою длинную эволюционную историю, в их составе есть множество белков, функционально похожих на те, которыми обладают белки других доменов жизни (бактерий и эукариот). Сравнение таких белков из организмов, принадлежащих разным организмам с разной эволюционной историей, дает важный материал для понимания процессов эволюции. Изучение факторов, определяющих высокую термостабильность архей, может иметь широкое применение для повышения эффективности биотехнологических процессов.

Биофизики взяли для исследования архею, выделенную из гидротермального образца, собранного в самом глубоководном из известных гидротермальных полей Мирового океана, поле Ашадзе на Среднем Атлантическом хребте, на глубине 4100 м.

Ученые исследовали белок изопренил дифосфатная синтаза GACE1337. Этот белок играет большую роль в развитии микроорганизма, он катализирует процесс сборки углеводородных цепочек (изопреноидов) из коротких фрагментов. А изопреноиды уже являются «строительным материалом». Они дальше используются как кирпичики в клеточных мембранах, а также для строительства множества важнейших молекул, имеющихся в живых организмах, например, стероидов, хинонов, каротеноидов и др. Такие ферменты присутствуют в организмах всех доменов жизни. Спецификой изучаемого учеными белка являлась способность функционирование при высоких температурах (60-70° С). Эксперимент показал, что кроме этого, он обладает и еще одной редкой способностью — синтезировать на выходе цепочки двух разных длин (из 20-ти и 15-атомов углерода).

Рассказывает Татьяна Петрова, старший научный сотрудник лаборатории кристаллографии макромолекул Института математических проблем биологии РАН: «Большинство аналогичных ферментов катализирует изопреноиды строго определенной длины. Мы, наряду с проведением биохимических экспериментов по изучению функций белка GACE1337, определили его пространственную структуру методами рентгеноструктурного анализа. Анализ и сравнение структуры белка GACE1337 с известными ранее подобными структурами как из архей, так и из бактерий, позволили понять, какие именно аминокислотные остатки в структуре белка, играют определяющую роль при регулировании длины производимого изопреноида».

Это оказались три аминокислотных остатка, два Phe и Tyr, расположенные в гидрофобной щели в центре молекулы фермента (см рисунок). Идентификация этих остатков не только позволила продвинуться в понимании механизма ферментативной реакции, но также может иметь практическое применение в производстве, при биокатализе изопреноидных соединений.

Рисунок: Область центральной гидрофобной щели белка GACE1337. Аминокислотные остатки Phe76, Tyr113 и Phe117, принадлежащие двум одинаковым субединицам, формирующим молекулу фермента, предположительно играют определяющую роль для формирования продукта реакции, ограничивая длину синтезируемой цепочки. Красным показано продолжение цепочки, наблюдаемое в некоторых других близких ферментах, невозможное в случае GACE1337, поскольку ему препятствуют большие аминокислотные остатки Phe76, Tyr113 и Phe117 обеих субъединиц, перекрывающих щель.

В работе принимали участие ученые из Института математических проблем биологии (филиал Института прикладной математики им. М.В. Келдыша), Института биохимии им. А.Н. Баха (“Фундаментальные основы Биотехнологии”), НИЦ Курчатовского института, Института Органической химии им. Зелинского вместе с коллегам из Университета Эксетера (Великобритания)

Работа была поддержана Российским научным фондом, Российским фондом фундаментальных исследований, проектом ЭРА-IB THERMOGENE ЕС, Российским фондом содействия малым инновационным предприятиям и Федеральным космическим агентством России.