Доктор биологических наук Л. И. ВОРОБЬЕВА, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

26 лет назад была открыта новая форма жизни - наиболее значительное событие в биологии XX в. Это археи - организмы, которым присущ ранее неизвестный способ существования. Они составили 3-й Домен Жизни, наряду с двумя другими: Доменом эукариот и Доменом бактерий.

Древние философы считали: живой мир дихотомичен и состоит из растений и животных, открытия микроорганизмов нидерландским натуралистом А. Левенгуком в 1683 г. главный водораздел прошел через микро- и макроорганизмы, а с появлением электронного микроскопа в 50-х годах XX в. он "опустился" на более глубокий уровень - структуры клетки, и все существа расчленили на эукариоты (имеющие оформленное ядро) и прокариоты (доядерные клетки). Этим двум уровням организации клеток соответствовало столько же типов рибосом (эукариотный и прокариотный), и никто тогда не предполагал, что на уровне последних существует не одна, а две формы жизни.

Открытие нового мира живых существ группой американских ученых Иллинойского университета под руководством К. Вуза в 1977 г. стало крупным событием в биологии. Его сравнивают с обнаруженным, но неизвестным (до 1606 г.) европейцам континентом - Австралией, где удивленному взгляду первооткрывателей предстали кенгуру и эвкалиптовые деревья.

Археи служат ключом для понимания природы и происхождения первой элементарной живой системы, а также эукариотной клетки, эволюции метаболизма, фотосинтеза, информационных процессов. Кстати, развитие нашей планеты связано с существованием прокариот, и в мире микробов находится более 90% всего филогенетического, метаболического, молекулярного и экологического разнообразия Земли. Открытие же архей во много раз увеличило его. Они составляют значительную часть глобальной биомассы и распространены повсюду, обитая как в экстремальных условиях (в соленых водоемах, щелочных озерах, в гидро- и геотермальных водах глубоких трещин земной коры), так и в пресноводных озерах, почвах, морских осадках, в прибрежьях Антарктики. Эти существа являются главным компонентом океанического пикопланктона (взвешенных в воде организмов размером 0,2 - 2 мкм), т.е. в мировой экосистеме они играют значительную роль.

К сожалению, мы о них знаем пока очень мало. По подсчетам американского ученого Т. Гольда, вся их подземная биомасса может быть эквивалентна общей поверхностной жизни на суше и в воде. Подземные археи-отшельники осуществляют экзотические химические реакции, и их существование тесно связано с геохимией. Они дышат серой или железом, окисляя молекулярный водород и используя углекислоту как единственный источник углерода.

Возникает естественный вопрос: почему археи получили статус 3-го Домена так поздно? Ведь с ними уче-

стр. 13

ные работали давно, не подозревая, что имеют дело не с бактериями. Все дело в том, что увидеть в них Новый Мир Жизни оказалось возможным лишь после разработки и введения метода секвенирования геномов - определения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Еще в 1965 г. появилась гипотеза американских ученых Л. Полинга (физик и химик, нобелевский лауреат, иностранный член АН СССР) и биолога Э. Цуккеркендала, предполагающая, что некоторые макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты) могут служить эволюционными "хронометрами". Скажем, белки подобны часам: изменения последовательности аминокислот в них происходят почти с постоянной скоростью и отражают таковую в эволюции ДНК. Эти независимые "часы", погруженные в генотип, позволяют судить об истории развития и близости организмов. В связи с древностью процесса белкового синтеза с участием рибосом рибосомальная РНК (рРНК) представляет собой отличную молекулу для понимания родства организмов; и успех упомянутой группы К. Вуза был определен удачным выбором именно такого "хронометра".

Рибосомы претерпевают незначительное влияние окружающей среды, медленно эволюционируют, большое число их копий в ДНК разбавляет ее фрагменты, случайно трансформированные в клетку. Их имеют все организмы и в достаточном количестве, поэтому рРНК легко выделять без предварительного клонирования (размножения). Правда, в настоящее время в связи с разработкой и широким использованием метода полимеразной цепной реакции, позволяющего за несколько часов увеличить число ДНК-фрагментов в 10⁶ -10⁹ раз, ученые часто отдают предпочтение молекулам ДНК, которую можно назвать "клавиатурой жизни". Многие новые, еще некультивируемые археи открыты именно на основании секвенирования ДНК, хотя в изучаемом сообществе могло находиться всего несколько нужных клеток.

К. Вуз использовал субъединицу 16S рибонуклеиновой кислоты, выделенную из большого числа объектов, принадлежащих к про- и эукариотам. Проанализировав результаты этого секвенирования, он пришел к поразительному выводу: сходства и различия в последовательности оснований у представителей исследуемых прокариот были того же порядка, что и между бактериями и эукариотными клетками. И тогда мир живых организмов было предложено разделить на три группы (три Первичных Царства, по К. Вузу): бактерии и органеллы (митохондрии, хлоропласты) эукариот; эукариоты (точнее, их цитоплазматические компоненты) и архебактерии, теперь называемые археями. Они получили статус Домена наряду с двумя другими Доменами - бактерий и эукариот.

В Домен архей помещены четыре царства. Первое, Euryarchaeota, включает экстремальные галофилы (обитающие в условиях высокой засоленности), термоплазмы (обитают в заброшенных угольных шахтах), ряд гипертермофилов (размножаются при температуре 45 - 70°С), метаногены (единственные существа на Земле, выделяющие метан), а также археи, получающие энергию при восстановлении элементарной серы, сульфатов и других химических соединений. Второе царство, Crenarchaeota, представлено главным образом гипертермофилами и строгими анаэробами, живущими на больших глубинах океанов, при высоком давлении или, наоборот, населяющими холодные воды и почвы. Третье, Korarchaeota, обнаружено в горячем, богатом железом источнике Йеллоустонского национального парка США; эти древние уникальные филогенетические* существа относятся к некультивируемым и недостаточно изученным организмам. Четвертое царство, Nanoarchaeota, представляют карликовые археи, открытые в 2002 г. немецким исследователем К. Штеттером, выделившим их из глубоководного горячего источника в Атлантическом океане. Содержат геном, размер которого находится на пределе возможного существования самостоятельного организма, да они и не способны к нему, являясь облигатными (обязательными) симбионтами (сожителями) другого археона.

Размеры и внешний вид архей сходны с бактериями, хотя некоторые из них имеют причудливые контуры, напоминающие различные геометрические фигуры: треугольники, квадраты или осколки стекла, хоккейную клюшку и др. Есть штаммы, образующие длинные нити, состоящие из 100 клеток и более, заключенных в своеобразный чехол, "застрявшие" в отверстиях белковой сети. В целом такая неопределенность формы может быть связана с отсутствием у них жесткой клеточной стенки, обычно образующей ее внешний каркас.

К настоящему времени проведено полное описание 16 археальных геномов 3-го Домена, показавшее, что большая часть информационных процессов (транскрипция, трансляция, метаболизм ДНК) у архей и у эукариот сходны, а значительная часть реакций катаболизма (диссимиляции) и анаболизма (ассимиляции), а также гены операционных белков у первых бактериоподобны. Хотя они построены из других молекул и часто по иному проекту, чем последние, но выполняют те же функции. Вместе с тем есть и существенные различия. Скажем, у бактерий универсальным веществом клеточных стенок и молекулярным маркером считали муреин, точнее, его компонент - мурамовую кислоту.

Археи же ничего подобного не имеют. С другой стороны, им присуще большое разнообразие клеточных покровов, некоторые из них сильно напоминают ткани эукариот (хондроитин, муцин, защищающие эпителиальные клетки желудка), многие покрыты бусинками так называемого S-слоя, имеющего гликопротеиновую природу, а есть вообще голые клетки, как у термоплазм. Лишь отдельные метаногенные археи обладают ригидной клеточной стенкой, образованной псевдомуреином, т.е. в них отсутствует мурамовая кислота, D-аминокислоты, иные химические связи между молекулами. Поэтому антибиотики, "стреляющие" по клеточным стенкам бактерий, к примеру, пенициллин, ванкомицин, не подавляют рост архей. Даже органы их подвижности - жгутики - синтезируются иначе и состоят

* Филогения - историческое развитие организмов, или эволюция органического мира (прим. ред.).

стр. 14

стр. 15

из иных белков, нежели бактериальные (не из одного белка флагеллина, а из нескольких различных) и образуются при участии лидерного пептида* и шаперонов, препятствующих агрегации белков. И плавают археи медленнее, чем бактерии, особенно если живут в вязкой среде. К тому же отсутствие конкурентов в экстремальных местах обитания не заставляет их сильно "спешить".

Липиды мембран и сами они у архей уникальны, отличаются от таковых у бактерий и эукариот. Первые содержат неомыляемые изопреноидные эфиры глицерина**, эфирные и полярные липиды, изопрено-идные углеводороды, алкилбензолы***. Причем археи могут содержать эфиры глицерина, связанного с молекулами изопреноидного спирта - фитанила, отличающиеся высокой термоустойчивостью. А у экстремальных гипертермофилов есть дополнительные приспособления для жизни в горячих местах: в их фитанйловые цепи включены пятичленные кольца, число которых увеличивается с ростом температуры окружающей среды.

Совершенно иначе построены липиды эукариот и бактерий: они представлены глицерином, имеющим эстерную связь с цепями неразветвленных жирных кислот. Поверхностно-активные вещества (фитанил, дифитанил, алкилбензолы) архей встречаются в сланцевых глинах, нефтяных фракциях, осадочных породах. И вообще архейные липиды сходны с природными углеводородами, превалировавшими в древнейшую эру. Возможно, многие или даже все подобные соединения, обнаруженные в осадочных породах, были синтезированы этими существами и родственными им организмами.

Обнаружение у архей тетраэфирных липидов произвело революцию в мембранной биологии - существование этой структуры как монослойной нарушило представление ученых об универсальной бислойной мембране у всех организмов. Мембраны архей более устойчивы к стрессовым факторам (высокой температуре, кислотности, щелочности).

Что же касается рибосом, то у архей они по размерам такие же, как и у бактерий, хотя у гипертермофилов эти частицы содержат больше белков, многие из которых гомологичны. РНК-полимераза архей также имеет сходство с соответствующими ферментами эукариот (их три) и абсолютно непохожа на бактериальную.

А теперь рассмотрим геном и информационные процессы. Прежде всего отметим, что у всех организмов ДНК на несколько порядков превышает длину клетки и потому специальным образом уложена. У эукариот это гистоны****, у бактерий - только маленькие основные белки. Многие археи царства Euryarchaeota тоже упаковывают свою ДНК с помощью гистонов, гомологичных двум таким же веществам эукариот. Их схожесть с эукариотами простирается и до белковых факторов, участвующих в репликации (репродукции) ДНК и транскрипции (передачи информации по наследству), что подтверждается следующим фактом: РНК-полимераза эукариот узнает последовательность нуклеотидов ДНК и белковые факторы, участвующие в транскрипции, и осуществляет ее по ДНК-археальной матрице. Функциональное сходство трансляционного аппарата архей и эукариот подтверждено в ходе изучения белкового синтеза гибридными рибосомами.

Удивительная группа архей - так называемые экстремальные гало-филы - заселяют наиболее соленые водоемы на земле, обычно встречающиеся в жарких местах. Они живут в солеварнях и пустынных терминальных озерах, в том числе и на юге России, имеют большие перспективы практического применения: для облегчения добычи нефти за счет выделения клетками экзополисахарида, увеличивающего вязкость закачиваемой в скважины воды, их можно использовать для очистки водоемов от масляных пятен и т.д.

* Лидерный пептид связывается со структурным белком и переносит его к основанию жгутика (прим. авт.).

** Соединения на основе изопренов, имеющие непредельные связи (прим. авт.).

*** Алкилбензолы содержат алкильные заместители в бензольном кольце (прим. авт. ).

**** Гистоны - белки, обладающие щелочными свойствами и входящие в ядрах клеток эукариот в состав комплексов с ДНК; участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла (прим. ред.).

стр. 16

Предполагаемая модель структуры и самосборки жгутиков:

а - у бактерий флагеллярные субъединицы проходят через канал и присоединяются к верхней части жгутика;

b - у архей субъединицы флагеллина, связанные с шаперонами (с) направляются к цитоплазматической мембране, где подвергаются процессингу префлагеллиновой пептидазой (рр) и включаются в основание растущей структуры жгутика;

SC - S-слой;

ЦМ - цитоплазматическая мембрана;

ПС - полярная структура.

стр. 17

Кроме того, эти существа синтезируют бактериородопсин, который служит прекрасным материалом для обеспечения информационных процессов. В Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН были предложены новые фотоматериалы, где вместо серебра используют пленку с добавлением бактериородопсина. Изображение на ней появляется без проявления. Его можно стирать синим светом и многократно записывать новую информацию. Бактериородопсин предполагают применять также в компьютерах нового поколения, где требуется устанавливать десятки тысяч связей между элементами, а полупроводниковая технология с этим не справляется.

Нельзя не упомянуть и о холодоустойчивых археях, обитающих в водоемах Антарктики при температуре минус 14 - 18°С. Они располагаются на сельди, образуя на ней ржавые пятна, а также на кожаных изделиях, кристалликах соли. Кстати, эти существа сохраняют жизнеспособность в течение многих лет. В соленых же водоемах они не испытывают трудностей, а процветают, их клеточные стенки, рибосомы, транспортные белки и ферменты функционируют только при высоких концентрациях натрия и калия.

Среди многих архей доминирующую роль играют метаногены. Ученые, не подозревая о их существовании, наблюдали их в природе более 100 лет тому назад. В 1902 г. российский микробиолог, будущий академик В. Л. Омелянский получил ассоциацию из двух культур; одна из них выделяла метан и получила название Methanobacterium omeljanskii.

Метаногены занимают изолированный биохимический остров в море прокариот: это единственные существа на нашей планете, образующие метан. Они утилизируют очень ограниченное число субстратов, имеющих обычно маленькую молекулу, содержат кофакторы*, осуществляющие уникальный, основанный на одноуглеродных соединениях метаболизм, которого нет у других прокариот. Эти удивительные существа занимают бескислородные ниши и образуют метан, получая энергию для роста путем ступенчатого восстановления самого окисленного соединения - СО₂ . Предполагают, что они были пионерами, заселявшими древнюю бескислородную Землю, где молекулярный водород и углекислота служили для них единственными доступными первичными субстратами. Теперь метаногены живут в илах пресных и соленых водоемов, на рисовых полях, в стволах деревьев, в тундровых торфах, термальных источниках, в глубоких подземных водах, в желудочно-кишечном тракте насекомых, рыб, жвачных животных. Среди них есть антарктические и экстремально термофильные виды с оптимумом температуры 98°С, они присутствуют в морских водах, используя моно-, ди- и триметиламины. Т. Н. Жилина в 1986 г. (Институт микробиологии РАН) выделила их из содового соленого озера Магади (Кения).

В монокультуре метаногены очень чувствительны к ничтожным следам кислорода. Вот почему в природе

* Ко - часть слов, указывающая либо на их противоположность другой части слова, либо, наоборот, на совместность с другой его частью (прим. ред. ).

стр. 18

стр. 19

они находятся в сообществе с другими организмами, которые обеспечивают их субстратами и защищают от губительного действия воздуха. Вместе с тем метаногены зависят от бактерий, расщепляющих полимерные молекулы и сбраживающих мономеры до СО₂ , Н₂ , ацетата. Реакция такого сбраживания оказывается термодинамически благоприятной в том случае, если молекулярный водород поддерживается на уровне 10 мкм. Поэтому специалисты считают: от работы метаногенов зависит процесс анаэробного разложения органических веществ на Земле в целом, весь круговорот элементов биосферы.

Биологический метаногенез рассматривают как способ получения дополнительной энергии из возобновляемого субстрата с одновременным удалением городских, сельскохозяйственных и промышленных отходов в условиях постепенного сокращения ископаемых топливных ресурсов. На кафедре химической энзимологии химического факультета МГУ удалось в 50 - 100 раз увеличить производительность получения метана из биомассы за счет использования биокатализаторов. Сначала ее измельчают, затем подвергают гидролизу с применением исключительно активных ферментов, способных "раскусывать" любые целлюлозные материалы. Предполагается, что через 5 - 7 лет внедрение данной технологии позволит получать половину топлива для городского транспорта.

Значительная группа архей принадлежит к царству Crenarchaeota, так называемым гипертермофилам. Их обнаружили в глубоководных гидротермах, где они способны расти при 113°С - верхнем температурном пределе. Большая часть упомянутой группы выделена из гео- и гидротермальных источников, горячих почв, грязей, содержащих серу, которую они метаболизируют для существования организма (впервые обнаружены на глубине 2,5 км в районе Галапагосских островов).

Нерастворимые металлические сульфиды железа, меди, цинка и гипса, осаждаясь, образуют высокие "дымоходы", через которые проходит горячая вода. В ней в значительном количестве содержатся ионы марганца, молекулярный водород, СО, а иногда и ионы аммония, растворенный кислород, углекислота и бикарбонат. Сходный компонентный состав имеют и континентальные термальные источники с той разницей, что они часто бывают кислыми из-за содержания серной кислоты. Из глубоководных гидротерм с нейтральными водами выделены наиболее термофильные, неацидофильные и барофильные археи - ведь давление на дне морей и океанов в несколько сот раз превышает атмосферное.

Большой вклад в микробиологию глубоководных источников внесли сотрудники Института микробиологии РАН под руководством академика Г. А. Заварзина и профессора Е. А. Бонч-Осмоловской. Новые штаммы обнаружены ими в водоемах Долины гейзеров, котлообразных впадин Головнина, Узона (Камчатка), острова Кунашир* - вулканические районы Дальнего Востока. И на глубинах около 3 км в подземных водах при температуре 100°С существуют археи, чей энергетический метаболизм тесно связан с трансформацией веществ геохимического происхождения: элементарной серы, солей металлов, сульфидных минералов, углекислоты, молекулярного водорода - соединений, присутствовавших на ранней стадии образования нашей планеты. Жизнь там избежала космологических действий, которые стерилизовали поверхность Земли. Вот почему интересующие нас существа приоткрывают окно в далекие времена очень ранней эволюции нашей планеты.

...Мы начали рассказ с того, что археи составляют значительную часть глобальной биомассы на Земле. Но особенности их биохимии позволяют предположить: они могут существовать и на других планетах. К сожалению, мы знаем о них еще очень мало, прежде всего об их физиологии, вкладе в морскую и континентальную экосистему, о потенциальных возможностях практического использования. Так что главные открытия еще впереди.

* См.: А. Н. Иванов. Нелегкая судьба Южных Курил. - Наука в России, 1999, N 5 (прим. ред. ).

Permanent link to this publication: