Кишечная палочка автотрофный или гетеротрофный

Общее описание

Примерами гетеротрофов в биологии являются:

животные от простейших до человека;
грибы;
некоторые бактерии.

Строение гетеротрофов предполагает возможность расщепления сложных органических веществ до более простых соединений. В одноклеточных организмах органические вещества расщепляются в лизосомах. Многоклеточные животные поедают пищу ртом и расщепляют её в желудочно-кишечном тракте с помощью ферментов. Грибы поглощают вещества из внешней среды подобно растениям. Органические соединения всасываются вместе с водой.

По источнику питания гетеротрофы делятся на две группы:

консументы– животные, употребляющие в пищу другие организмы;
редуценты– организмы, разлагающие органические останки.

По способу питания (поглощения пищи) консументы относятся к фаготрофам (голозоям). В эту группу входят животные, поедающие организмы частями. Редуценты относятся к осмотрофам и поглощаются органические вещества из растворов. К ним относятся грибы и бактерии.

Гетеротрофы могут использовать в пищу живые и неживые организмы.
В связи с этим выделяют:

биотрофы– питаются исключительно живыми существами (травоядные и хищные животные);
сапротрофы– питаются мёртвыми растениями и животными, их останками и экскрементами.

К биотрофам относятся:

фитофаги– животные, питающиеся растениями (лошадь, виноградная улитка, пчёлы);
зоофаги– животные, использующие в пищу других животных (лиса, паук, осьминог);
паразиты– организмы, использующие в пищу тело хозяина, не убивая его (круглые черви, клещи).

К сапротрофам относятся животные, которые поедают трупы (гиены, грифы, тасманийский дьявол) или экскременты (личинки мух), а также грибы и бактерии, разлагающие органические останки.

Некоторые живые существа способны к фотосинтезу, т.е. одновременно являются и автотрофами, и гетеротрофами. Такие организмы называются миксотрофами. К ним относятся восточная изумрудная элизия (моллюск), цианобактерии, некоторые простейшие, насекомоядные растения.

Консументы

Многоклеточные животные являются консументами нескольких порядков:

первого– питаются растительной пищей (корова, заяц, большинство насекомых);
второго– питаются консументами первого порядка (волк, сова, человек);
третьего– употребляют в пищу консументов третьего порядка и т.д. (змея, ястреб).

Один организм может одновременно являться консументом первого и второго или второго и третьего порядка. Например, ежи в основном питаются насекомыми, но не откажутся от змей и ягод, т.е. ежи одновременно являются консументами первого, второго и третьего порядка.

Рис. 2. Пример пищевой цепочки.

Редуценты

Дрожжи, грибы и бактерии-гетеротрофы подразделяют по способу питания на три вида:

сапрофиты– используют в пищу продукты жизнедеятельности и разлагающиеся ткани животных и растений (большинство бактерий);
симбионты– находятся в тесной позитивной взаимосвязи с другими организмами (кишечная палочка человека, белые грибы и дуб);
паразиты– питаются за счёт другого организма, вызывая повреждения клеток и тканей (дизентерийная палочка, палочка Коха, спорынья).

Рис. 3. Грибы-сапрофиты.

Сапрофиты играют важную роль в круговороте веществ и являются редуцентами в пищевой цепочке. Благодаря редуцентам все органические останки разрушаются и превращаются в перегной – питательную среду для растений.

Вирусы не относятся ни к гетеротрофам, ни к автотрофам, т.к. имеют свойства неживой материи. Для размножения им не требуются питательные вещества.

Что мы узнали?

Гетеротрофы питаются готовыми органическими веществами, которые получают за счёт поедания других организмов – растений, грибов, животных. Такие организмы могут питаться живыми организмами или их останками (биотрофы и сапротрофы). К консументам, употребляющим в пищу другие организмы (растения, животные), относится большинство животных. К редуцентам, разлагающим органические останки, относятся грибы и бактерии.

Любая система, какой бы сложной и многослойной она ни была, имеет свой фундамент — основу, без которой она бы не работала так, как работает. В биосфере нашей планеты также имеются базисные кирпичики, на которых все и держится. Ими являются автотрофы — организмы, способные преобразовывать неорганические соединения в органические. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Израиля создали в лаборатории новый вид бактерий, которые питаются углекислым газом. Какие методы были применены в процессе разработки, как вела себя бактерия, и что данный труд может значить для человечества? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Автотрофы можно назвать одними из самых древних существ на планете. Считается, что первые автотрофы проявились еще два миллиарда лет назад, когда гетеротрофная (не способная синтезировать органику из неорганики) бактерия путем эволюции приобрела способность к фотосинтезу. Сам же термин был предложен в далеком 1892 году немецким ученым Альбертом Бернхардом Франком.

Альберт Бернхард Франк

Некоторые организмы находятся на перекрестке автотрофного и гетеротрофного синтеза, поскольку углерод они получают из органических соединений, а вот энергию из неорганических. Следуя этой логике, автотрофы можно разделить на несколько основных: фототрофы, хемотрофы, радиотрофы, литотрофы и миксотрофы. Существуют также и переходные группы, представителей которых крайне сложно отнести к тому или иному краю спектра синтеза, однако их классификация пока не закончена.

Фототрофы, как намекает нам само название, используют в качестве источника энергии фотоны, точнее солнечную энергии. Именно от этих организмов и происходит такой тип питания как фотосинтез.

Хемотрофам ближе химия, чем физика. Такие организмы используют в качестве источников энергии различные окислительно-восстановительные реакции, т.е. хемосинтез.

Литотрофы перерабатывают неорганические соединения в необходимые им энергию и углерод посредством аэробного или анаэробного дыхания. Хемолитотрофией могут похвастаться только представители архей (одноклеточных без ядра и мембранных органелл) и бактерий.

Миксотрофы являются универсальными солдатами, поскольку могут одновременно (или поочередно, в зависимости от обстоятельств) использовать сразу несколько разных типов питания, т.е. быть одновременно фототрофами и хемотрофами, например.

Авторы рассматриваемого нами сегодня исследования считают, что более детальное понимание процессов жизнедеятельности автотрофов позволит применить полученные знания в крупных масштабах. И по их мнению, самым лучшим способом изучения автотрофии является создание синтетического автотрофного организма. Теоретически, можно создать бактерию, которая будет питаться углекислым газом. Но назвать этот процесс легким язык не поворачивается. Сами исследователи выделяют три основных этапа, которые необходимо пройти, чтобы их труд был реализован.

Во-первых, для полного перехода к автотрофному питанию, организм должен использовать механизм фиксации СО₂ на пути, где входящий углерод состоит исключительно из СО₂, а выходными являются органические молекулы, которые вступают в центральный углеродный метаболизм и поставляют все 12 основных предшественников биомассы.

Во-вторых, организм должен применять ферментативные механизмы для получения восстановительной мощности путем сбора нехимической энергии (свет, электричество и т.д.) или путем окислительно-восстановительных процессов, которые не являются источниками углерода.

В-третьих, организм должен регулировать и координировать пути сбора энергии и фиксации СО₂, чтобы они совместно поддерживали устойчивый рост, когда единственным источником углерода является СО₂.

В качестве методологической основы своего исследования ученые использовали цикл Кальвина (цикл Кальвина-Бенсона-Бассама) — серия биохимических реакций при фотосинтезе у растений, цианобактерий и т.д. Этот цикл является самым распространенным механизмом фиксации углекислого газа.

В первую очередь необходимо было провести метаболическую реорганизацию и лабораторную эволюцию организма для реализации перехода к автотрофии. Было рассмотрено несколько соединений-кандидатов, которые могли бы служить донорами электронов для фиксации СО₂, что позволило бы бактерии перейти к полной автотрофии.

В качестве источника электронов был выбран формиат*, так как это одноуглеродное органическое соединение может служить источником восстанавливающей части процесса, но не поддерживает рост E. coli естественным образом и не усваивается в биомассу.

Формиаты* — соли и эфиры муравьиной кислоты.

Восстановительный потенциал формиата (E 0 = 420 мВ) достаточно низок, чтобы уменьшить NAD + — основной электронный носитель в клетке (E 0 = 280 мВ в E.coli). Другое преимущество состоит в том, что он может быть электрохимически получен из возобновляемых источников, а биомасса при этом будет углерод-отрицательной.

Чтобы собрать электроны из формиата и направить их в основной клеточный восстановительный энергетический резервуар NADH (никотинамидадениндинуклеотид), была использована NAD + -связанная FDH (формиатдегидрогеназа) из метилотрофной бактерии Pseudomonas sp.

Стехиометрический анализ (анализ по соотношению масс веществ в химическом соединении) метаболической сети в E.coli показал, что добавления FDH, Rubisco (рибулозобисфосфаткарбоксилаза) и Prk (фосфорибулокиназы) в метаболическую сеть E. coli будет достаточно для автотрофного роста (изображение ниже).

Изображение №1: схема лабораторно модифицированной хемотрофной бактерии E. coli.

К сожалению коэкспрессия трех рекомбинантных ферментов в первичном штамме E. coli (BW25113) не привела к росту в автотрофных условиях. Поскольку стехиометрический анализ не учитывает настройку кинетики фермента, уровень экспрессии и регуляции, было решено использовать адаптивную лабораторную эволюцию в качестве инструмента метаболической оптимизации для достижения автотрофного роста.

Данный метод обусловлен тем, что гетерологичная экспрессия чужеродного ферментативного механизма расширяет пространство возможных метаболических реакций для клетки, обеспечивая возможность автотрофного роста. Проблема заключается в том, что нет никаких гарантий, что необходимый поток будет проходить через недавно расширенный набор реакций.

Следовательно, поскольку центральный метаболизм E. coli адаптирован к гетеротрофному росту, вполне вероятно, что распределение потока, которое поддерживает гетеротрофный рост, будет использоваться. Именно потому и была применена лабораторная эволюция, способная перенаправить поток по желаемому метаболическому пути.

Одними из важнейших процессов лабораторной эволюции является перестройка центрального метаболизма для установления зависимости от потока карбоксилирования Rubisco и адаптация среды роста для подавления потока через изначальные гетеротрофные пути (2A). Другими словами необходимо было заставить бактерию перестать использовать гетеротрофные механизмы метаболизма, переходя на автотрофию.

Изображение №2: схема разработанной эволюционной стратегии для преобразования гетеротрофной бактерии E. coli в хемотрофную.

Прежде всего во время искусственной эволюции были исключены три гена, кодирующих два фермента в центральном углеродном обмене: фосфофруктокиназу (Pfk) в гликолизе и глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназу (Zwf) в окислительном пентозофосфатном пути. Первый имеет два изофермента, кодируемых двумя генами (pfkA и pfkB). При выращивании клеток на ксилозе* такая перестройка гарантирует, что рост клеток зависит от карбоксилирования по Rubisco, что и необходимо для перехода к хемотрофии.

Хемостат* — метод культивирования микроорганизмов, когда в питательной среде, где они растут, поддерживается оптимальный баланс и концентрация субстратов.

Катаболизм* — метаболический распад сложных веществ на более простые или окисление вещества (энергетический обмен).

Хемостат, где выращивались клетки, также содержал избыток формиата и постоянно продувался обогащенным СО₂ воздухом (содержание СО₂ 10%).

Таким образом, данная среда выращивания замедляет гетеротрофность, заставляя клетки склоняться к автотрофности. Клетки буквально вынуждены уменьшить свою зависимость от внешнего углеродного вклада органического сахара.

Метод выращивания был готов, необходимо было его проверить. Раз в неделю образцы извлекались из хемостатов и проверялись на рост в автотрофных условиях. В частности, это хемоорганоавтотрофные условия для кишечной палочки, которые состоят из среды типа М9 с добавлением 30 мМ (милимоляр) формиата натрия в атмосфере с повышенным содержанием CO₂ (10%), но без какого-либо другого источника углерода.

Спустя примерно 200 дней размножения в хемостатах, эквивалентного примерно 150 поколениям, был обнаружен рост в средах, лишенных ксилозы (т.е. в автотрофных условиях). Данный фенотип присутствовал во всех образцах того дня. На 350-ый день ксилоза была полностью исключена из питательной среды (2В). Устойчивый рост и помутнение подразумевали, что в хемостате присутствуют исключительно независимые от ксилозы клетки. Было обнаружено, что образцы нуждались в среде с повышенной концентрацией CO₂ для их роста, что предполагает механизм углеродной фиксации.

Далее ученые выбрали один из самых устойчивых в росте клонов* для более глубокого анализа. Было установлено время удвоения* 18 ± 4 часа (2С).

Клон* — в данном случае имеется ввиду группа генетически одинаковых клеток.

Время удвоения* — время, необходимое чему-то увеличиться в размерах в два раза.

Для начала эволюционировавшие клоны были выращены в среде с 13 С-маркированным формиатом и 13 CO₂ (10 поколений до получения стабильного изотопного состояния). Далее проводился анализ 13 С-меток для разных метаболитов посредством метода жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии.

13 С* — углерод-13, стабильный изотоп углерода.

Метаболиты* — продукты метаболизма каких-либо соединений.

Метод жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии* — метод химического исследования, объединяющий в себе жидкостную хроматографию, разделяющую смеси нескольких компонентов, и масс-спектрометрию, обеспечивающую структурную идентичность отдельных компонентов.

Изображение №3: эксперименты по изотопному маркированию с использованием 13 C показывают, что все компоненты биомассы образуются из CO₂ в качестве единственного источника углерода.

Анализ показал, что порядка 98% атомов углерода в строительных блоках биомассы центрального метаболизма были успешно маркированы. Эти данные соответствуют маркированному формиату и CO₂, содержащих около 99% 13 C и 1% немаркированного бикарбоната, растворенного в питательной среде.

Данное наблюдение является неопровержимым доказательством того, что углерод в биомассе клеток происходит именно от СО₂ и формиата.

Далее проверялось концентрируется ли формиат в биомассе. Для этого клетки выращивали в среде М9 (концентрация СО₂ в атмосфере была 10%, как и в предыдущих опытах) с использованием формиата, помеченного углеродом-13.

Схема маркировки 13 С для строительных блоков биомассы после роста в данной среде показали маркировку 13 С в пределах 1-2% (3В), что является ожидаемым значением, основанным на естественном содержании 13 С и незначительном количестве маркированного формиата. Другими словами, результаты показали, что клетки не ассимилируют формиат.

Совокупность результатов вышеописанных опытов уверенно говорит о том, что источником углерода для выращенных культур являются исключительно СО₂ и формиат. А это, в свою очередь, говорит о стопроцентной автотрофии клеток E.coli, прошедших лабораторную эволюцию.

Данный опыт показал, что около 85-90% атомов углерода в строительных блоках биомассы центрального метаболизма были успешно маркированы. Как видно на изображения 3А и 3В, если применить корректировку по 13 С-маркированным компонентом, то маркировка атомов в биомассе будет практически 100%, что говорит об автотрофной природе развития бактерии E.coli.

То, что бактерии стали автотрофами, не поддается сомнениям. Осталось выяснить, какие же генетические изменения, то бишь мутации, произошли в процессе лабораторной эволюции.

Для выяснения этого ученые выделили шесть клонов, способных автотрофно расти на формиате, и провели секвенирование их генома и плазмидов*.

Плазмиды* — молекулы ДНК, физически отделенные от хромосом и способные автономно реплицироваться (процесс создания двух дочерних молекул ДНК на основе материнской молекулы ДНК).

Два клона (клон 1 и 2) были выделены, когда ксилоза все еще присутствовала в питательной среде (250-ый день эволюции), три клона (клон 3, 4 и 5) — после того, как ксилоза была исключена из питательной среды хемостата (400-ый день эволюции). Последний клон (клон 6) выделен после размножения одного из ранее выделенных клонов (клон 1) в течение нескольких циклов серийного разведения.

Изображение №4: генетическая основа перехода к автотрофии.

Удивительным было то, что число мутаций было достаточно мало. Исследователи разделили их на три основные категории.

Первая категория состоит из генов, кодирующих ферменты с прямой метаболической связью с функцией цикла Кальвина. Этот ген, который кодирует рибозофосфатедифосфокиназу, направляет рибозофосфат в биомассу.

Вторая категория мутированных генов состоит из тех, которые, мутировали и в предыдущих экспериментах по адаптивной лабораторной эволюции: pcnB (R161P), rpoB (D866E), rpoD (F563S), malT (E359K) и araJ (W156). Данные мутации ученые связывают с самим процессом лабораторной эволюции, то есть они не обязательно связаны с процессом перехода бактерии к автотрофии. Аналогично, была обнаружена мутация в гене xylR, кодирующая регуляторный белок для оперонов, ответственных за катаболизм сахара D-ксилоза (E337K). Она связана с длительным голоданием ксилозы в хемостате во время выращивания, но никак не связана с автотрофией.

В дальнейшем ученые намерены провести дополнительные исследования генетических мутаций, чтобы определить, какие из них являются основными и необходимыми для перехода бактерии к автотрофии.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Бактерия, которая спасет мир от глобального потепления, это звучит невероятно, даже немного научно-фантастично. Но, даже если такую бактерию и создадут, это не снимает с человека ответственности за экологическую ситуацию на планете. Ибо чисто не там, где убирают, а там, где не мусорят.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими, берегите планету и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?