Понимание фермента, позволяющего бактериям дышать мышьяком

Загрязнение питьевой воды мышьяком представляет серьезную угрозу для здоровья, вызывая хронические заболевания и рак. Как показали исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech), ключевую роль в мобилизации токсичного элемента в воде играют бактерии, которые «дышат» соединениями мышьяка. Ученым впервые удалось определить структуру бактериального фермента, который делает возможным такое дыхание. Эта работа — важный шаг к прогнозированию биологического влияния на распространение мышьяка в окружающей среде.

Одними из токсичных соединений, загрязняющих воду, являются арсенаты. В природе они часто связаны с железосодержащими минералами в осадочных средах, и в такой форме маловероятно их растворение в грунтовых водах. Однако, когда бактерии в этих средах исчерпывают запас кислорода, они могут переключиться на анаэробный режим и начать «дышать» арсенатом. В этом процессе микробы превращают арсенат в арсенит — соединение с гораздо более высокой растворимостью в воде. Многие бактерии обладают этой способностью благодаря особому белковому комплексу — ферменту Arr.

Международная команда исследователей под руководством бывшего аспиранта Caltech Натаниэля Глассера определила физическую структуру этого фермента и точные молекулярные участки, где происходит его химическое взаимодействие с арсенатом. Для этого ученые использовали метод рентгеноструктурного анализа. Важно, что фермент был исследован в бактериях Shewanella, которые в природе действительно осуществляют дыхание арсенатом, а не в стандартной лабораторной модели E. coli.

«Вопреки ожиданиям, фосфат, вероятно, стимулирует, а не подавляет дыхание арсенатом в типичных осадочных средах, контактирующих с грунтовыми водами. Знание того, как быстро работает этот фермент в условиях, приближенных к природным, приближает нас на шаг к возможности прогнозировать, в какой степени бактерии могут мобилизовать мышьяк в питьевую воду в определенных регионах», — говорит руководитель исследования Дианна Ньюман.