Jedna bakteria potrafi wykonać cały proces nitryfikacji, który przez ponad stulecie dzielono między dwie grupy mikroorganizmów
Od czasów XIX-wiecznych badań nitryfikację przedstawiano jako klasyczny mikrobiologiczny podział pracy: jedna grupa utlenia amoniak do azotynu, a druga azotyn do azotanu. W 2015 roku dwa zespoły niezależnie opisały bakterie Nitrospira zdolne do wykonania obu etapów. Zjawisko nazwano comammox — complete ammonia oxidation. Odkrycie było zaskakujące nie dlatego, że reakcja jest chemicznie niemożliwa, lecz dlatego, że przez około sto lat nikt nie znał organizmu łączącego oba zestawy enzymów. Pokazało to, jak długo nawet fundamentalny element obiegu pierwiastka może skrywać nieznaną strategię.
Podręcznikowy podział pracy
Nitryfikacja to utlenianie zredukowanych form azotu. Klasycznie pierwszy etap prowadzą mikroorganizmy utleniające amoniak, wytwarzając azotyn, a drugi — organizmy utleniające azotyn do azotanu. Taki podział odkryto już pod koniec XIX wieku i przez kolejne dekady stał się podstawową zasadą mikrobiologii środowiskowej. Możliwość istnienia organizmu zdolnego wykonać oba etapy rozważano teoretycznie, ale żadnego nie udało się znaleźć. Dlatego pojęcie dwóch funkcjonalnych grup długo wydawało się czymś niemal definicyjnym dla nitryfikacji.
Comammox zmienił obraz
W 2015 roku opublikowano dwa niezależne doniesienia o przedstawicielach rodzaju Nitrospira wyposażonych w komplet genów i enzymów potrzebnych zarówno do utleniania amoniaku, jak i azotynu. Nazwa comammox pochodzi od complete ammonia oxidation. W hodowlach wykazano, że te bakterie rzeczywiście mogą przekształcać amoniak aż do azotanu i czerpać z tego energię. Nie był to więc tylko zapis kilku podejrzanych genów w sekwencji środowiskowej, ale realny, działający metabolizm.
Dlaczego taki organizm mógł pozostawać niewidoczny
Comammox Nitrospira rosną wolno i dobrze radzą sobie przy małych stężeniach substratu. Wiele klasycznych metod mikrobiologicznych faworyzuje organizmy szybko rosnące w bogatszych warunkach laboratoryjnych. Co więcej, Nitrospira były wcześniej znane głównie jako bakterie utleniające azotyny. Jeżeli badacz z góry oczekuje określonej funkcji od określonej grupy, nie zawsze projektuje doświadczenie tak, aby wykryć zupełnie inny zestaw możliwości. Genomika środowiskowa pomogła zobaczyć kombinację genów, której wcześniej nie szukano.
Czy jeden organizm jest zawsze lepszy od dwóch
Połączenie całego szlaku w jednej komórce może pozwalać zatrzymać energię z obu etapów, ale wiąże się z kosztami utrzymania większego zestawu enzymów i często z wolniejszą maksymalną szybkością wzrostu. Badania Nitrospira inopinata sugerują wysokie powinowactwo do amoniaku i strategię dobrze dopasowaną do środowisk ubogich w substrat. Klasyczne organizmy wykonujące pojedynczy etap mogą z kolei być bardziej konkurencyjne przy innych stężeniach i przepływach. Ewolucja nie znalazła jednego uniwersalnego zwycięzcy — utrzymuje różne strategie.
Gdzie to ma znaczenie
Geny związane z comammox znaleziono w wielu naturalnych i inżynieryjnych środowiskach: glebach, wodach słodkich, systemach uzdatniania i oczyszczania wody oraz biofilmach. Oznacza to, że w modelach obiegu azotu nie wystarczy zawsze zakładać prostego przekazywania produktu między dwiema grupami mikroorganizmów. W części ekosystemów pełny proces może zachodzić w jednej komórce, co zmienia sposób myślenia o konkurencji, przepływie metabolitów i odpowiedzi społeczności na warunki środowiska.
Lekcja dla nauki
Historia comammox jest cenna, bo dotyczy procesu znanego od czasów narodzin mikrobiologii. Nie odkryto egzotycznej reakcji w trudno dostępnej głębinie, lecz nowy sposób wykonywania jednego z najbardziej klasycznych szlaków. Pokazuje to, że nawet dobrze opisane cykle biogeochemiczne mogą zawierać ukryte warianty. Schemat w podręczniku jest modelem opartym na tym, co dotąd znaleziono — nie gwarancją, że natura wykorzystuje wyłącznie te role, które zdążyliśmy nazwać.