Археи-экстремофилы: мембрана, которую нельзя разорвать

Где рвётся первым

Спросите, что убивает клетку при высокой температуре, и почти каждый ответит: белки сворачиваются. Ответ верный, но не первый по очереди.

Раньше белков сдаётся граница.

Мембрана живой клетки — это плёнка толщиной около пяти нанометров, и держится она не на химических связях между молекулами, а на их нежелании контактировать с водой. Молекулы липидов имеют «голову», которой вода нравится, и два «хвоста», которым не нравится. В воде они сами собой выстраиваются в два слоя: головы наружу, хвосты друг к другу. Никто ничего не сшивает — конструкцию удерживает только это взаимное отталкивание от воды.

У такой конструкции три разных уязвимости, и в жёстких условиях по ней бьют сразу с трёх сторон.

Жара разжижает. Чем выше температура, тем подвижнее хвосты, тем более текучей становится плёнка. В какой-то момент она перестаёт быть барьером и начинает пропускать всё подряд.

Вода разрезает. Хвосты крепятся к голове сложноэфирной связью, а сложный эфир гидролизуется — расщепляется водой. При комнатной температуре это происходит медленно. При ста градусах, да ещё в кислоте, — быстро.

Протон просачивается. Клетка живёт за счёт разности концентраций протонов на двух сторонах мембраны: протоны выталкиваются наружу, а возвращаясь внутрь через фермент-турбину, крутят синтез АТФ. Если мембрана начинает подтекать, протоны возвращаются мимо турбины — и клетка теряет энергию впустую. В кипятке или в кислоте, где протонов снаружи и так избыток, эта утечка становится смертельной.

Три атаки на одну деталь. Значит, и переделывать надо деталь.

Четыре отличия

Архейная мембрана отличается от нашей не одной чертой, а четырьмя сразу — причём каждая бьёт по своей уязвимости. Различие настолько системно, что у него есть собственное название: липидный водораздел.

Простой эфир вместо сложного

Наши хвосты присоединены к голове сложноэфирной связью. Архейные — простой эфирной: тот же кислородный мостик, но без соседней карбонильной группы, которая и делает сложный эфир уязвимым для воды.

Простой эфир — одна из самых спокойных связей в органической химии. Он не гидролизуется ни в кипятке, ни в кислоте. Первую уязвимость просто убрали.

Изопреноиды вместо жирных кислот

Наши хвосты — жирные кислоты: длинные прямые цепочки углерода. Архейные — изопреноидные: та же длина, но цепь ветвится, через каждые четыре атома углерода вбок торчит метильная группа.

Ветвление мешает соседним молекулам плотно слипаться боками и упорядочиваться. Мембрана из таких цепей хуже кристаллизуется на холоде и — что важнее — при нагреве не разжижается так быстро, потому что её вязкость изначально задана формой молекул, а не только температурой.

Зеркальный глицерин

Это отличие самое странное, и оно не про прочность.

Голова липида построена вокруг глицерина — молекулы, существующей в двух зеркальных формах, как левая и правая перчатки. Бактерии и мы используем sn-глицерол-3-фосфат. Археи — sn-глицерол-1-фосфат, зеркальное отражение.

Прочности это не добавляет. Зато говорит кое-что важное об истории: две ветви жизни строят свои границы из зеркально несовместимых деталей, разными ферментами, по разным путям синтеза. Считается, что водораздел возник уже после LUCA — последнего общего предка. То есть у предка мембрана, вероятно, была какая-то другая или неустойчивая, а бактерии и археи довели её до ума независимо друг от друга, каждый по-своему.

Один слой вместо двух

Самое сильное решение оставлено напоследок.

Монослой: расслаивать нечего

Бислой уязвим тем, что это именно два слоя. Половинки держатся друг за друга слабым взаимодействием хвостов, и при достаточном нагреве или механическом усилии их можно разлепить.

Многие археи, особенно самые жаростойкие, обходят проблему радикально: у них мембрана состоит из молекул, которые прошивают её насквозь.

Такой липид называется GDGT — глицерин-диалкил-глицерин-тетраэфир. Устроен он так: два глицериновых остова, по одному с каждой стороны мембраны, а между ними — две изопреноидные цепи длиной по сорок атомов углерода, соединённые с остовами четырьмя эфирными связями. Одна молекула, две головы, обе поверхности.

Мембрана из таких молекул — не два слипшихся слоя, а один сплошной. Расслоить её невозможно: расслаивать нечего, обе стороны — части одной молекулы. Утечка протонов падает, механическая прочность растёт, гидролиз не грозит.

Ту же логику знает инженер: клеёная фанера расслаивается по шву, монолит — нет.

Регулируемая жёсткость

Дальше начинается тонкая настройка, и вот здесь становится по-настоящему интересно.

В изопреноидные цепи GDGT встраиваются циклопентановые кольца — пятичленные углеродные циклы прямо в теле цепи. Ставит их специальный фермент. Каждое кольцо укорачивает и «поджимает» участок цепи, заставляя молекулы упаковываться плотнее, а мембрану — становиться жёстче и плотнее.

И количество этих колец не фиксировано. Клетка меняет его в зависимости от того, насколько горячо снаружи.

У Sulfolobus acidocaldarius среднее число колец на молекулу растёт с 3,4 до 4,8, когда температура роста поднимается с 65 до 82 °C.

Вдумайтесь, что это значит. Организм не просто выдерживает жару. Он измеряет её и подстраивает механические свойства собственной оболочки — доливает жёсткости, когда становится горячее, и убирает, когда холоднее. Мембрана здесь не пассивный материал, а регулируемый: что-то вроде подвески, которая сама меняет жёсткость под дорогу.

Побочный результат этого свойства пригодился геологам. Число колец в древних GDGT, сохранившихся в осадках, зависит от температуры, при которой жили сделавшие их организмы, — и по этому соотношению восстанавливают климат прошлого. Мембрана экстремофила работает как записанный в породе термометр.

Рекорд: 122 градуса

Теперь о пределе — и об оговорке, без которой цифра превращается в неправду.

Рекордсмен — Methanopyrus kandleri, штамм 116, поднятый с гидротермального поля Кайрей на Центрально-Индийском хребте. Это метаноген: он живёт тем, что делает метан из водорода и углекислого газа. Размножается при 122 °C — это рекорд для клеточного деления среди всего живого.

Оговорка вот какая. Сто двадцать два градуса достижимы только под давлением.

При давлении 0,4 МПа — это примерно четыре атмосферы — предел роста штамма 116 составляет 116 °C, а диапазон — от 85 до 116 °C с оптимумом около 100 °C. Чтобы получить 122 °C, нужно поднять давление до 20 МПа, то есть примерно до двухсот атмосфер.

Так что «археи живут при 122 °C» без упоминания давления — искажение. Правильно: живут при 122 °C под давлением в двести атмосфер, какое и бывает на глубине двух километров под водой.

Причём давление для этого организма не помеха, которую он терпит, а условие, в котором он себя лучше всего чувствует. Штамм 116 — пьезофил: оптимум его роста лежит при 105 °C и давлении 20–30 МПа. На поверхности ему было бы хуже, чем на глубине.

Физика здесь простая и красивая: давление мешает воде вскипать и заодно прижимает мембрану, компенсируя разжижение от нагрева. Глубина и жар работают друг против друга, и организм живёт в зазоре между ними.

Кислота: жизнь при pH около нуля

Picrophilus torridus — самый кислотолюбивый из известных организмов. Растёт при pH около 0, оптимально — при pH 1, и одновременно при температуре до 65 °C. Для сравнения: желудочный сок имеет pH от 1 до 2, то есть эта архея живёт в среде кислее содержимого нашего желудка.

Здесь ожидаешь услышать привычную схему: снаружи кислота, внутри клетка героически держит нейтральную среду. Так поступает большинство ацидофилов.

Picrophilus поступает иначе. Его цитоплазма тоже кислая — pH 4,6.

Это редкость: у прочих термоацидофилов внутренняя среда близка к нейтральной. А здесь получается, что каждый белок этой клетки, каждый фермент, вся её биохимия работают при pH 4,6 — в условиях, где наши белки давно бы денатурировали. Клетка не отгородилась от кислоты. Она переехала жить в кислоту, переделав под неё всё содержимое.

Перепад с внешней средой остаётся огромным — около четырёх с половиной порядков по концентрации протонов. И вот что клетка с этим перепадом делает.

В геноме P. torridus 12 % всех генов отвечают за транспорт веществ. И среди транспортных систем необычно велика доля вторичных — то есть таких, которые работают не на АТФ, а на энергии уже существующего градиента, затаскивая нужную молекулу внутрь «на попутном» протоне.

Логика инверсии здесь та же, что у ветряной мельницы: снаружи стоит колоссальный протонный напор, который должен был бы клетку убить, — и она использует его как двигатель для собственной логистики. Угроза переведена в разряд энергоснабжения.

Мембрана при этом, разумеется, тетраэфирная — с монослойным ядром, непроницаемым для протонов настолько, насколько это вообще возможно. Иначе весь фокус не работал бы: градиент просто стёк бы внутрь.

Соль: когда переделывать приходится всё

Третья крайность — насыщенный рассол. Соляные озёра, промышленные бассейны для выпаривания соли, где концентрация подходит к пределу растворимости.

Задача тут не химическая, а осмотическая. Вода уходит туда, где солонее. Клетка в рассоле теряет воду и ссыхается, если внутри у неё не так же солоно, как снаружи.

Есть два способа. Первый — накопить внутри что-нибудь безвредное, но в больших количествах: некоторые организмы набивают себя специальными «совместимыми» веществами, которые держат воду и не мешают белкам. Дорого, но белки остаются обычными.

Галоархеи выбрали второй путь — «соль внутрь». Они заводят внутри такую же концентрированную соль, как снаружи: калий накапливается до 4 молей на литр, причём калий закачивается в обмен на выброс натрия. Осмотическое равновесие достигнуто дёшево.

Плата приходит с другой стороны. Обычный белок в четырёхмолярной соли сворачивается и выпадает в осадок: ионы отбирают у него воду и экранируют заряды, на которых держится укладка цепи. Значит, обычные белки не годятся.

И галоархеи переделали весь свой протеом. Их белки несут заметный избыток кислых аминокислот — глутаминовой и аспарагиновой. Отрицательно заряженная поверхность удерживает вокруг себя слой воды и связывает ионы, и в рассоле такой белок работает нормально.

Обратная сторона тоже показательна: вытащите такой белок в пресную воду — и он развалится. Он приспособлен к соли не как к испытанию, а как к норме.

Закисление протеома настолько устойчиво связано с этим образом жизни, что служит признаком крайней галофилии: по составу белков можно сказать, в чём живёт организм, даже не видя его.

И маленькая деталь напоследок: Haloquadratum walsbyi, обычный обитатель таких рассолов, имеет плоские квадратные клетки — форма, которая в биологии почти не встречается. Тонкие солёные пластинки, плавающие в рассоле.

🗺 Карта открытий

Что из этого следует

Возвращаясь к началу. Мембрана — не обёртка, в которую упаковано главное. Мембрана и есть главное, во всяком случае для вопроса «где предел».

Все три крайности — жар, кислота, рассол — бьют в первую очередь по границе, и во всех трёх случаях решение оказалось решением по материалу. Простой эфир вместо сложного — против гидролиза. Ветвящиеся цепи — против разжижения. Сплошной монослой — против расслоения и утечки протонов. Регулируемое число колец — против смены температуры. А там, где границу удержать нельзя в принципе, как в рассоле, переделывается уже не граница, а всё содержимое.

Отсюда же и мера того, чего мы не знаем. Верхний предел температуры для жизни неизвестен: 122 °C — рекорд не природы, а лаборатории, то есть тех условий, которые удалось воспроизвести и в которых удалось увидеть деление клеток. Глубже и горячее приборы пока не заглядывали.

А тот же материал, из которого сделана эта неразрываемая оболочка, — эфирные связи, изопреноидные цепи, зеркальный глицерин — носит на себе и всякая асгардская архея, та самая, внутри чьей ветви появились когда-то мы. С той разницей, что нашей ветви эта мембрана не досталась: где-то на пути к первой сложной клетке граница была построена заново, по бактериальному образцу. Как и почему — ещё один вопрос без ответа.

Читать дальше

→ Асгардские археи: цитоскелет, собранный до эукариот, — и ни одного мотора → Жидкие кристаллы: мембрана как жидкий кристалл, физика той же плёнки → Осмос: почему вода уходит туда, где солонее, и что с этим делать