Железо входит в состав 86% белков микроба Ferroplasma acidiphilum,
обитателя пиритовых месторождений. Удаление атомов железа из белковых
молекул приводит к нарушению их структуры и потере функциональности.
Возможно, у древнейших живых организмов, развивавшихся, согласно одной
из теорий, в микрополостях кристаллов пирита, все белки изначально
держались на «железных заклепках», как у ферроплазмы. Позже, по мере
освоения новых местообитаний, эти древние белки заменялись другими, не
содержащими железа.
Известно, что в состав многих белков входят ионы различных металлов
(железа, меди, кобальта, магния, цинка, молибдена, кальция, марганца и
др.). Такие белки называют металлопротеинами.
Они выполняют разнообразные функции, в том числе каталитические (так
называемые металлоферменты) и транспортные (например, гемоглобин).
У всех изученных в этом отношении организмов металлопротеины составляют
лишь небольшую часть от общего разнообразия белков. Неожиданное
открытие, сделанное германскими, испанскими и британскими
микробиологами, показало, что на заре жизни ситуация, возможно, была
обратной.
Шесть лет назад в биореакторе опытного металлургического завода в Туле был обнаружен удивительный микроб, относящийся к надцарству архей (Archaea) и получивший название Ferroplasma acidiphilum. В отличие от большинства других архей и бактерий, ферроплазма лишена жесткой клеточной стенки и размножается почкованием.
Ферроплазма живет в очень кислых
(pH 1,3–2,2, оптимально 1,7) водах, насыщенных растворенным железом и
другими металлами. В природе такие условия встречаются в окрестностях
месторождений сульфидных руд (например, пирита). Ферроплазма —
облигатный автотроф, то есть сама производит органику из углекислого
газа (подобно растениям), а питаться готовыми органическими веществами
не может. В отличие от растений, источником энергии для фиксации СО2 ферроплазме служит не солнечный свет, а химическая реакция окисления двухвалентного железа (Fe2+ → Fe3+).
В ходе дальнейших исследований у ферроплазмы обнаружилось еще
несколько необычных особенностей. В частности, в 2005 году было
установлено, что один из ее ферментов (альфа-глюкозидаза)
является железосодержащим металлоферментом, в то время как у всех
остальных организмов ферменты этого класса (гликозид-гидролазы)
никакого железа не содержат. Это побудило команду микробиологов —
первооткрывателей ферроплазмы проверить и другие белки странного
микроорганизма на предмет содержания в них железа и других металлов.
Результат оказался более чем удивительным. При помощи сложных
химических методов из микробов выделили все белки и разделили их на
фракции по молекулярной массе и электрическому заряду (получилось
около 400 достаточно хорошо обособленных фракций, соответствующих
индивидуальным белкам); затем при помощи еще более сложных методов
проводилось индивидуальное «опознание» каждого белка. Из 189 белков,
которые удалось идентифицировать, лишь 26 не содержали железа.
Остальные 163 (86%) оказались железосодержащими металлопротеинами.
Самое удивительное, что аналоги большинства из этих белков,
встречающиеся у других организмов, не содержат железа (в том числе
многие белки, участвующие в манипуляциях с нуклеиновыми кислотами:
ДНК-лигазы, транспозазы, эндонуклеазы, интегразы и др.).
Железо в белках ферроплазмы не является какой-то необязательной или
второстепенной примесью. Исследователи показали, что аккуратное
удаление железа из этих белков приводит к сильному изменению их
вторичной структуры (денатурации) и потере функциональной активности.
Похоже на то, что почти все белки ферроплазмы, по образному выражению
авторов статьи, держатся на «железных заклепках» («iron rivet»).
Естественно, сразу возник вопрос о причинах такого обилия
железосодержащих металлопротеинов у ферроплазмы. Возможно, это общее
свойство всей группы микроорганизмов, к которой относится ферроплазма?
Или, может быть, оно характерно именно для микробов, обитающих
в кислых, насыщенных растворенным железом водах? Для ответа на этот
вопрос исследователи выделили теми же методами металлосодержащие белки
из ближайшего родственника ферроплазмы — архебактерии Picrophilus torridus, а также из неродственного, но обитающего в таких же условиях микроорганизма — бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans.
Из этих микробов удалось выделить лишь 29 и 28 металлопротеинов
соответственно, из которых только половина содержала железо. Самое
главное, что все железосодержащие металлопротеины этих двух микробов
оказались обычными, широко распространенными металлопротеинами, которые
и у многих других организмов тоже содержат железо.
В заключительной части статьи авторы высказывают весьма смелую
гипотезу — настолько смелую, что даже удивительно читать такое в
журнале Nature. Они предполагают, что ситуация, наблюдаемая
у ферроплазмы, является случайно сохранившимся отголоском древнейших
этапов развития жизни. Согласно одной из популярных теорий, жизнь могла
зародиться в микрополостях кристаллов пирита, в условиях, очень близких
к тем, в которых ныне обитает ферроплазма. Главным отличием таких
биотопов является очень кислая среда и изобилие растворенного железа,
которое в других, менее экзотических местообитаниях, обычно в большом
дефиците.
Древнейшие формы жизни поначалу активно использовали для
осуществления необходимых химических реакций простые неорганические
катализаторы, в первую очередь соединения железа и серы. Постепенно эти
катализаторы замещались более эффективными органическими, то есть
белками, и вполне естественно предположить, что первые белки включали
в себя атомы железа как неотъемлемые структурные и функциональные
компоненты. В дальнейшем, когда живые организмы стали осваивать другие
биотопы, они сразу же столкнулись с резким дефицитом доступного железа,
и отбор стал способствовать замене старых железосодержащих белков
другими, не нуждающимися в железе для выполнения своих функций. В конце
концов железо сохранилось только в тех белках, которые без него совсем
уж никак обойтись не могут.
Согласно версии авторов статьи, обилие железосодержащих
металлопротеинов у ферроплазмы объясняется тем, что предки этого
микроба никогда не покидали кислых, богатых железом вод, и вся их
эволюция протекала в условиях железного изобилия. Другие
микроорганизмы, обитающие сегодня в похожих условиях, вероятно, попали
туда вторично, и на каких-то этапах своей эволюции они сталкивались с
дефицитом железа. Те немногочисленные белки ферроплазмы, в которых
железа все-таки нет, возможно, достались ей от этих новых соседей
в результате горизонтального (межвидового) обмена генами, что
у прокариот — обычное дело.
Впрочем, есть одно обстоятельство, заставляющее усомниться в столь
глубокой древности ферроплазмы и ее металлопротеинов. Дело в том, что
этот микроорганизм является аэробным, для окисления железа ему
необходим кислород, тогда как древнейшие этапы эволюции жизни, согласно
общепринятым представлениям, протекали в бескислородных условиях.