Учёные определили структуру фермента, который позволяет бактериям дышать соединениями мышьяка. Добытые знания могут помочь предотвратить отравление десятков миллионов людей во всём мире. Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале PNAS группой во главе с Дианой Ньюмэн (Dianne Newman).
Мышьяк чрезвычайно опасен для человека. Даже небольшие дозы этого химического элемента при постоянной употреблении (например, с питьевой водой) вызывают серьёзные заболевания, в том числе онкологические.
При этом в земной коре довольно распространены породы, богатые мышьяком. К счастью, он присутствует в них в основном в виде арсенатов, а большинство из них практически не растворяется в воде.
Однако около 20 лет назад биологи открыли неприятный факт. Существует целая группа бактерий, которые используют арсенаты земной коры для дыхания (напомним, что дыхание бывает не только кислородным). Всё бы ничего, но в ходе этого процесса образуются арсениты, а эти соединения довольно хорошо растворяются в грунтовых водах.
Когда эти микробы по каким-то причинам размножаются сверх обычного, дело может принять тревожный оборот. Так, в 2009 году в Бангладеш более пяти миллионов человек отравились мышьяком, попавшим в питьевую воду из-за деятельности бактерий.
Эту проблему, как и всякую другую из разряда экологических, решить сложно. Но первый шаг на этом нелёгком пути – понять, как именно бактерии перерабатывают соединения мышьяка и как на этот процесс влияют те или иные внешние условия.
Авторы изучили строение ферментного комплекса Arr. Насколько известно микробиологам, именно он отвечает за дыхание арсенатами у всех организмов, способных к дыханию такого экзотического типа.
"Знание того, насколько быстро этот фермент работает в тех или иных условиях окружающей среды, приближает нас к возможности предсказать, сколько мышьяка могут мобилизовать в питьевую воду бактерии в определённых местах", – объясняет Ньюмэн.
Исследователи определили трёхмерную структуру Arr и точно определили сайты (места), в которых он связывается с атомами мышьяка. Для этого они прибегли к рентгеновской дифракции, добившись разрешения в 0,16 нанометра.
Обычно ферменты для исследований получают следующим образом. Ген, отвечающий за их синтез, "пересаживают" бактерии E. coli, которая, в отличие от большинства микробов, прекрасно размножается в стандартных лабораторных средах. Однако в данном случае авторы изучали белок, вырабатываемый бактериями рода Shewanella. Эти организмы дышат арсенатами в естественной среде и производят более активный фермент, чем генно-модифицированные E. coli.
Кроме того, биологи выяснили влияние различных внешних условий на мышьяковое дыхание. В частности, они проверили гипотезу, что повышенное содержание фосфатов в окружающей среде будет подавлять этот процесс.
Дело в том, что мышьяк по своим химическим свойствам похож на фосфор. Именно это делает его ядом для большинства живых существ: клеточные системы принимают мышьяк за фосфор и пытаются на его основе синтезировать АТФ, что, естественно, не получается.
К слову, несколько лет назад много шуму в научной среде и не только наделала статья о бактериях, которые якобы научились полноценно использовать мышьяк вместо фосфора в биологических молекулах. Однако это открытие позднее так и не подтвердилось.
В нынешней работе исследователи проверили, можно ли использовать сходство фосфора с мышьяком для борьбы с бактериями. То есть, если обогатить внешнюю среду фосфатами, то "мышьякодышащие" станут принимать их за арсенанты и пытаться ими дышать. Но, как показал эксперимент, присутствие фосфатов, напротив, стимулирует бактерии активнее дышать арсенатами.
"Вопреки тому, что можно было бы ожидать, в типичных осадочных породах при контакте с грунтовыми водами фосфаты, вероятно, стимулируют дыхание арсенатами, а не подавляют его", – констатирует Ньюмэн.
Почему так получается, пока не ясно. Но уже понятно, что при помощи повышения содержания фосфора в среде проблему не решить.
"Это исследование не остановит кризис в Бангладеш, но более качественный анализ того, что происходит, полезен при решении практически любой проблемы и особенно важен при решении сложной экологической проблемы, в которой задействованы многие факторы", – подводит итог Ньюмэн.
Напомним, что на страницах специального раздела проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) можно узнать много нового об организмах, выживающих в весьма экстремальных условиях. Также ранее мы рассказывали о паразите, который и вовсе разучился дышать самостоятельно.
