У той час як світ переходить на зелений водень та інші відновлювані джерела енергії, вчені виявили, що археї – третя форма життя після бактерій та еукаріотів – виробляють енергію за допомогою газоподібного водню та “ультрамінімальних” ферментів протягом мільярдів років.
Зокрема, міжнародна група дослідників виявила, що щонайменше дев’ять філ архей – одноклітинних організмів, у яких відсутні внутрішні мембранні структури, – виробляють газоподібний водень за допомогою ферментів, які, як вважається, існують лише у двох інших форм життя.
Вчені з’ясували, що археї не лише мають найменші ферменти, що використовують водень, порівняно з бактеріями та еукаріотами, але й їхні ферменти для споживання та виробництва водню є найскладнішими з усіх описаних на сьогодні.
Маленькі та потужні, ці ферменти, здається, дозволили археям вижити та процвітати в деяких з найнесприятливіших середовищ Землі, де кисень майже відсутній.
“Люди лише нещодавно почали думати про використання водню як джерела енергії, але археї роблять це вже мільярд років”, – говорить Пок Ман Люн, мікробіолог з Університету Монаша в Австралії, який був одним із керівників дослідження.
“Біотехнологи тепер мають можливість надихнутися досвідом архей для промислового виробництва водню”.
Водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті і використовується в усьому світі для виробництва добрив та інших хімічних речовин, обробки металів, переробки продуктів харчування та очищення палива.
Але майбутнє водню – у зберіганні енергії та виплавці сталі, яку можна виробляти з нульовими викидами, якщо використовувати відновлювану енергію для перетворення таких матеріалів, як вода, на газоподібний водень.
Мікроорганізми виробляють і виділяють газоподібний водень (H2) для зовсім інших цілей, головним чином для утилізації надлишкових електронів, що утворюються під час ферментації – процесу, за допомогою якого організми видобувають енергію з вуглеводів, таких як цукор, без доступу кисню.
Ферменти, що використовуються для споживання або виробництва H2, називаються гідрогеназами, і вперше вони були всебічно досліджені на дереві життя лише вісім років тому. Відтоді кількість відомих видів мікробів різко зросла, особливо архей, які переховуються в екстремальних умовах, таких як гарячі джерела, вулкани та глибоководні жерла.
Однак більшість архей відомі лише за фрагментами їхнього генетичного коду, знайденого в цих середовищах, і багато з них не були культивовані в лабораторії, оскільки це дуже складно зробити.
Тому мікробіолог з Університету Монаша Кріс Грінінг (Chris Greening) та його колеги шукали ген, що кодує частину одного з типів гідрогеназ, швидкодіючих [FeFe] гідрогеназ, у більш ніж 2300 кластерах архейних видів, перелічених у глобальній базі даних.
Потім вони доручили AlphaFold2 від Google передбачити структуру закодованих ферментів і експресували ці ферменти в бактеріях E. coli, щоб перевірити, чи дійсно ці гени функціонують і виробляють гідрогенази, здатні каталізувати водневі реакції в їх сурогатному хазяїні.
“Наше відкриття ще на крок наблизило нас до розуміння того, як цей важливий процес дав початок усім еукаріотам, включаючи людину”, – каже Люн.
Еукаріоти – це організми, клітини яких містять ядро і мембранозв’язані органели, такі як мітохондрії та інші корисні клітинні фабрики.
Вважається, що всі еукаріоти виникли в результаті союзу анаеробної археї та бактерії, яку вона поглинула мільярди років тому. Другий, набагато пізніший ендосимбіоз призвів до появи предка рослин з хлоропластами.
Грінінг, Люн та їхні колеги знайшли генетичні інструкції для [FeFe] гідрогеназ у дев’яти архейних філах і підтвердили, що вони справді активні в цих мікроорганізмах – таким чином, це три з трьох сфер життя, які використовують ці типи ферментів для виробництва водню.
Але на відміну від бактерій та еукаріотів, подальший аналіз показав, що археї збирають “дивовижні гібридні комплекси” для виробництва водню, поєднуючи два типи гідрогеназ разом.
“Ці знахідки свідчать про нові метаболічні адаптації архей, вдосконалені Н2-каталізатори для біотехнологічного розвитку та дивовижно переплетену еволюційну історію між двома основними Н2-метаболізуючими ферментами”, – пише команда вчених у своїй статті.
Багато з каталогізованих геномів архей, проаналізованих у цьому дослідженні, є неповними, і хто знає, скільки ще видів ще належить відкрити.
Цілком ймовірно, що археї приховують інші геніальні способи виробництва енергії, які нам ще належить знайти.