Хотя цинк — необходимый для нас микроэлемент, в высоких концентрациях он токсичен. Отходы горнодобывающей промышленности, которые часто содержат цинк, загрязняют подземные воды, почву, реки, озера и представляют опасность для людей и живых организмов. В природе существуют микроорганизмы, устойчивые к тяжелым металлам, способные снижать их токсичное воздействие. Российские биологи исследовали механизмы, которые позволяют бактерии Sulfobacillus thermotolerans выдерживать высокие концентрации цинка в окружающей среде. О результатах этого исследования, имеющего важное значение для разработки и усовершенствования биотехнологий для более экологичной добычи металлов, ученые рассказали в статье в Journal of Hazardous Materials.
Цинк — один из самых распространенных тяжелых металлов в земной коре. Он часто входит в состав минералов (например, сфалерита) в виде сульфидов. В год в России, Китае, Перу, Австралии, США и Канаде добывается более 12 миллионов тонн этого металла. Эта добыча сопровождается образованием различных отходов, содержащих цинк, – шлаков, шламов, стоков и прочих. При хранении эти отходы постепенно выделяют цинк в окружающую среду, нанося вред живым организмам. Однако некоторые микроорганизмы устойчивы к воздействию высоких концентраций цинка и в будущем могут стать основой биотехнологий, которые позволят бороться с загрязнением. Выдающиеся способности одной из таких бактерий, Sulfobacillus thermotolerans, изучили сотрудники ФИЦ Биотехнологии РАН вместе с коллегами из Научно-исследовательского института системной биологии и медицины и Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины им. Ю.М. Лопухина.
«Нас заинтриговала невероятная устойчивость ацидофильных бактерий Sulfobacillus к тяжелым металлам. Представители этого рода обладают уникальной способностью эффективно окислять железо и серу. Среди них особенно выделяется Sulfobacillus thermotolerans. Мы решили на разных уровнях исследовать механизмы, позволяющие этой бактерии выживать, размножаться и адаптироваться к высоким концентрациям цинка, минимизируя его токсичное воздействие», — рассказывает ведущий автор и руководитель исследования Анна Панюшкина, научный сотрудник лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН.
Ацидофильные бактерии — то есть, бактерии, которые «любят» кислую среду, — основные кандидаты для разработки биотехнологий, позволяющих извлекать цветные и благородные металлы из руд и бороться с загрязнениями, вызванными отходами горнодобывающей промышленности. Sulfobacillus thermotolerans относится к этой группе и отличается устойчивостью не только к кислой среде и тяжелым металлам, но и, как намекает ее название, к повышенным температурам. Эти свойства позволяют использовать такие бактерии для добычи металлов из сырья при температуре выше 35 °С, что существенно ускоряет этот процесс.
В своей работе российские биологи использовали методы дифференциального протеомного анализа, клонирования генов и экспрессии белков, а также смоделировали трехмерную структуру одного из белков, играющих ключевую роль в устойчивости к цинку. Ученые также выяснили, что клетки Sulfobacillus thermotolerans активно сорбируют цинк на поверхности, но практически не накапливают его внутри, что помогает сульфобацилле справляться с клеточным стрессом, вызванным этим тяжелым металлом.
Важную роль в устойчивости Sulfobacillus thermotolerans к цинку, как оказалось, играет шаперонин GroEL — белок, который вместе со своим помощником, кошаперонином GroES, обеспечивают правильное сворачивание (фолдинг) белков в клетках. Пространственная структура белкового комплекса GroEL–GroES по форме напоминает бочонок с крышкой. Ученые показали, что 46 аминокислотных остатков в составе белковой цепи GroEL сульфобациллы потенциально могут участвовать в его «состыковке» с ионами цинка. Добавив в клетки кишечной палочки (Escherichia coli) генетическую конструкцию с геном шаперонина GroEL от Sulfobacillus thermotolerans, биологи выяснили, что он помогает бактерии расти в среде с повышенным содержанием цинка.
Благодаря этим особенностям ионы цинка в концентрации до 32 г/л не подавляют рост штамма Sulfobacillus thermotolerans Kr1 и его способность окислять железо.
«Наше исследование имеет не только фундаментальное научное значение. В будущем эти знания могут пригодится для защиты окружающей среды. Благодаря биотехнологиям можно будет снизить риски дренажа шахтных кислых вод и загрязнения подземных вод, утилизировать токсичные отходы более безопасным способом и сделать добычу металлов более экологичной», — заключает Анна Панюшкина.