На самом деле 17 металлов, относящихся к группе редкоземельных элементов, вовсе не редкость. В земной коре содержится больше редкоземельных элементов, чем, например, золота или платины.
Проблема в том, что элементы имеют относительно равномерное распределение, так что добыча рентабельна лишь в нескольких местах.С другой стороны, в живых организмах редкоземельные элементы действительно редки. Поскольку они почти не растворяются в воде, большинство организмов не может использовать их для своего метаболизма.
Это делает их открытие в грязевом котле вулканического происхождения в кратере Сольфатара в Италии еще более удивительным. Микробиологи из Университета Радбауд в Неймегене, Нидерланды, обнаружили микроб, который не может жить без некоторых редкоземельных элементов. Methylacidiphilum fumariolicum принадлежит к группе бактерий, которые выбрали крайне негостеприимную среду обитания: они лучше всего развиваются при значении pH от 2 до 5 и температуре от 50 до 60 градусов — условиях, которые смертельны для других организмов. Methylacidiphilum переносит даже значения pH ниже 1, что соответствует концентрированной серной кислоте.
Микробы производят энергию из метана. У них есть специальный фермент, метанолдегидрогеназа, который обрабатывает метанол, образующийся при разложении метана, с помощью металлических кофакторов. Большинство этих бактерий используют кальций для этого процесса.
В ходе своих исследований исследователи из Неймегена заметили, что Methylacidiphilum процветает только с исходной водой из грязевого котла. Ни один из микроэлементов, которые исследователи добавляли в чашки Петри, не стимулировал рост бактерий. Анализ воды показал, что в ней содержатся редкоземельные элементы в концентрации от ста до тысячи раз выше нормы.
Томас Барендс и Андреас Дитл из Института медицинских исследований Макса Планка исследовали трехмерную структуру метанолдегидрогеназы. Тем самым они заметили, что Methylacidiphilum fumariolicum вставил не кальций, а атом другого металла в свою метанолдегидрогеназу.
«Внезапно все сошлось», — объясняет Томас Барендс. «Мы смогли показать, что этот загадочный атом должен быть редкоземельным элементом. Это первый случай, когда редкоземельные элементы обладают такой биологической функцией».
Methylacidiphilum использует редкоземельные элементы лантан, церий, празеодим и неодим в своей метанолдегидрогеназе вместо кальция. Они нужны бактерии для производства энергии из метана.У редкоземельных элементов ионный радиус немного больше, чем у кальция, но они все же могут заменять его в качестве кофактора ферментов. «Отдельные аминокислоты были заменены в аминокислотной цепи метанолдегидрогеназы бактерии.
Это создает больше места для металлов», — говорит Барендс. Кроме того, Methylacidiphilum переваривает большее количество редкоземельных элементов, чем необходимо для выживания.
Поэтому возможно, что он накапливает металлы в ячейке.Анализ генома и протеома предполагает, что версия метанолдегидрогеназы Methylacidiphilum широко распространена среди бактерий из прибрежных вод.
Ученые также обнаружили бактерии, использующие метан, на поверхности листьев растений. Растения могут обогащать редкоземельные элементы и, таким образом, обеспечивать запасы бактерий. «Эти бактерии, возможно, присутствуют везде, где есть достаточное количество песка, поскольку песок является почти неиссякаемым источником редкоземельных элементов», — говорит Барендс.