Синхротронное излучение раскрывает механизм устойчивости ацидофильной микроводоросли PM01 к высоким концентрациям марганца

Ученые с помощью методов синхротронного излучения раскрыли ключевой механизм выживания ацидофильной зеленой микроводоросли в среде с высокой концентрацией марганца. Объектом исследования была ацидофильная хламидомонада PM01 (C. acidophila PM01), первоначально выделенная из отстойника кислых шахтных вод. Она способна выживать при концентрации марганца до 50 мМ (около 2,75 г/л) и является одной из наиболее марганцеустойчивых микроводорослей, описанных на сегодняшний день.

Марганец является необходимым для организмов питательным элементом, однако в процессах горнодобычи, переработки руды и электролитического производства марганца высокие концентрации этого металла могут попадать в воду и вызывать загрязнение. Особенно сложно удаление марганца из кислых вод. Некоторые микроорганизмы способны адаптироваться к таким экстремальным условиям, однако механизмы их устойчивости требуют детального анализа с использованием прецизионных методов.

Для расшифровки стратегии выживания PM01 исследовательская группа провела эксперименты на синхротронном источнике ELETTRA в Триесте (Италия), применив комплекс методов, включая низкоэнергетическую рентгеновскую флуоресцентную микроскопию (XRF), сканирующую трансмиссионную рентгеновскую микроскопию (STXM), спектроскопию ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения (XANES), а также синхротронную инфракрасную Фурье-спектроскопическую микроскопию (SR-FTIR). Эти методы использовались соответственно для наблюдения распределения ключевых элементов внутри клеток, выявления структурных особенностей клеток, определения химической формы марганца и анализа биохимического ответа клеток на воздействие марганца.

Характерные LE-µXFM и STXM абсорбционные микрофотографии клеток C. acidophila PM01 с пространственным разрешением 400 нм: без обработки (контроль) или после обработки 20 мМ MnCl 2 в течение 24 или 72 часов

Результаты экспериментов показали, что марганец накапливается в клетках PM01 неравномерно, а преимущественно локализуется вокруг ядра и в богатых кислородом областях на периферии клетки. Такое распределение согласуется с явлением секвестрации марганца в вакуолях, что указывает на способность клетки ограничивать марганец в относительно безопасных компартментах, снижая его воздействие на ключевые клеточные структуры и метаболические процессы.

Анализ XANES дополнительно показал, что марганец, поступивший в биомассу, сохраняет степень окисления Mn²⁺ и преимущественно окружен кислородсодержащими лигандами в структуре, близкой к октаэдрической. Дополнительные измерения показали, что фосфаты могут играть важную роль в связывании марганца в вакуолях и клеточных стенках.

(a) XANES-спектры Mn в биомассе C. acidophila PM01 и (b) SR-FTIR-анализ биомолекулярных характеристик (с указанием области отпечатков пальцев)

Результаты SR-FTIR, в свою очередь, выявили изменения на уровне клеточного метаболизма, включая изменения сигналов, связанных с углеводами и фосфатами, снижение запасов липидов, а также признаки незначительного окислительного повреждения. Сочетая микроскопические наблюдения с результатами измерений фотосинтеза, исследователи пришли к выводу, что устойчивость PM01 к высоким концентрациям марганца требует значительных затрат энергии. Клетка справляется с марганцевым стрессом за счет перераспределения метаболических резервов, расширения вакуолярной системы и незначительного повышения эффективности фотосинтеза.

На основании этого исследовательская группа предложила модель устойчивости PM01 к металлам, которую можно охарактеризовать как «выживание за счет низкого внутриклеточного удержания». Иными словами, эта микроводоросль не полагается на интенсивное накопление марганца, а связывает часть марганца на поверхности клетки, переводит часть в вакуоли и, возможно, выводит его через экскрецию из вакуолей, тем самым максимально удаляя марганец от чувствительных клеточных механизмов.

Это открытие имеет практическое значение для применения микроводорослей в кислых водах, загрязненных марганцем. Поскольку PM01 накапливает относительно небольшое количество марганца, она может не подходить в качестве идеального кандидата для биоремедиации марганца; однако ее выдающаяся устойчивость указывает на то, что культивирование этой микроводоросли в кислых марганецсодержащих водах может быть использовано для производства биомассы и биотоплива, снижая зависимость от ресурсов пресной воды. Исследование также открывает перспективы для дальнейшего изучения того, используют ли другие ацидофильные микроводоросли аналогичную стратегию «отторжения» для противодействия стрессу, вызванному металлами.