Tetrahymena, крошечный одноклеточный организм, оказывается, скрывает удивительный секрет: он осуществляет дыхание - использование кислорода для получения клеточной энергии - иначе, чем другие организмы, такие как растения, животные или дрожжи.
Это открытие, опубликованное недавно в журнале Science, подчеркивает возможности новых методов структурной биологии и выявляет пробелы в наших знаниях об одной из основных ветвей древа жизни. "Мы думали, что знаем о дыхании, изучая другие организмы, но это показывает нам, как много мы еще не знаем", - сказала Мария Мальдонадо, постдокторант кафедры молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета и соавтор статьи.
Tetrahymena - это род свободноживущих одноклеточных организмов, обычно встречающихся в водоемах, тихо плавающих в воде с помощью ресничек. Как и мы, они являются эукариотами, их генетический материал находится в ядре. Они принадлежат к большой и разнообразной группе организмов, называемой супергруппой SAR. За некоторыми исключениями, такими как малярийный паразит Plasmodium, супергруппа SAR мало изучена. "Это огромная часть биосферы, но мы мало о них задумываемся", - отмечает Мальдонадо.
Как и все другие эукариоты и некоторые бактерии, Тетрахимена потребляет кислород для получения энергии в процессе дыхания, объясняет Мальдонадо. Кислород поступает в конце серии химических реакций, участвующих в дыхании. Электроны проходят через цепочку белков, расположенных в структурах, называемых кристами, во внутренней мембране митохондрий. Это приводит к образованию воды из атомов кислорода и водорода, перекачивая протоны через мембрану, что, в свою очередь, приводит к образованию АТФ - запаса химической энергии для клетки. Эта электронно-транспортная цепь является основой кислородного дыхания у человека и других эукариот.
По словам Мальдонадо, были признаки того, что цепь переноса электронов у Tetrahymena устроена иначе. В 1970-80-х годах ученые обнаружили, что ее белок, переносящий электроны, - цитохром С - и фермент, потребляющий кислород в конце цепи, - терминальная оксидаза - функционируют иначе, чем у растений и животных. До сих пор было неясно, как и почему эти ферменты отличаются у Tetrahymena, в то время как у других изученных эукариот они консервативны.
Мальдонадо и коллеги использовали новые подходы в структурной биологии для раскрытия электронно-транспортной цепи Tetrahymena. Они включали подход структурной протеомики с использованием криоэлектронной микроскопии - одновременное изучение структур большого количества белков в смешанном образце. Криоэлектронная микроскопия замораживает образцы до чрезвычайно низких температур, создавая изображения с почти атомным разрешением. Вместо того чтобы получать изображение одного очищенного белка, команда работала со смешанными образцами, выделенными из мембран митохондрий, а затем научила алгоритм распознавать родственные структуры.
Таким образом, они смогли просканировать сотни тысяч изображений белков и определить структуры 277 белков в трех больших группах, представляющих электронно-транспортную цепь Tetrahymena с разрешением, близким к атомному. Некоторые из этих белков не имеют соответствующего гена в известной базе данных генома Tetrahymena, что свидетельствует о наличии пробелов в доступном эталонном геноме.
"Наше структурно-функциональное исследование дыхательной цепи Tetrahymena выявляет расхождения в ключевых компонентах эукариотического дыхания, расширяя наше понимание основного метаболизма. Выявляя пробелы в наших знаниях о довольно распространенном организме, эта работа показывает наши слепые пятна в отношении биоразнообразия", - говорит Мальдонадо. Работа также показывает потенциал новых методов в структурной биологии в качестве инструмента для открытий.
