Метилотрофы - потребители одноуглеродных соединений

Метаболизм одноуглеродных органических соединений – важная составляющая глобального круговорота углерода. Наиболее распространённое такое соединение – метан, парниковый газ. Также часто оказывается в окружающей среде метанол и метилированные амины, одноуглеродные соединения, включающие галогены и метилированные соединения серы. Это связано не только с промышленным загрязнением, например, метанол, метан и хлорметан выделяются при разложении растительных тканей в анаэробных условиях, ряд таких веществ присутствует и в тканях животных. Метан встречается в залежах угля и нефти, в больших количествах синтезируется метанобразующими бактериями. Микроорганизмы, метаболизирующие одноуглеродные соединения распространены повсеместно, их принято называть метилотрофами. Метилотрофы ассимилируют углерод восстановленных одноуглеродных соединений - формальдегида, муравьиной кислоты и соединений, содержащих метильную группу (СН₃-), например, диметиловый эфир. 

Наиболее охарактеризованными группами микроорганизмов, способными усваивать  одноуглеродные органические соединения являются гаммапротеобактерии и альфапротеобактерии. Среди метилотрофов есть также бетапротеобактерии и актиномицеты. По способности утилизировать углерод метилотрофы подразделяются на две основные подгруппы - облигатные и факультативные метилотрофы. Факультативные метилотрофы часто они растут также на муравьиной кислоте и на простых С₂- и С₄- соединениях. Ряд метилотрофных организмов можно выделить в культуру. Однако всего разнообразия метилотрофов в сообществах так не описать. Кроме того, метаболические особенности и предпочтения метилотрофных бактерий могут изменяться в лабораторных условиях. Одно из активно изучаемых сообществ, богатых метилотрофами – илы озера Вашингтон. Когда для описания данного сообщества были применены молекулярные методы, оказалось, что преобладающие в культуре микроорганизмы родов Hyphomicrobium, Arthrobacter, Methylobacterium и Labrys на самом деле представлены в нём в меньшинстве, а наиболее представленные микроорганизмы относятся к родам Methylobacter или  Methylotenera достаточно сложными для выделения в культуру.

С помощью флюоресцентных красителей, чувствительных к окислительно-восстановительным процессам, можно оценить реакцию микробного сообщества на внесение различных соединений и выявить метилотрофов и другие микроорганизмы со специфическими вариантами метаболизма. В этом случае будут выявлены только те микроорганизмы, которые проявляют свои метаболические возможности в данном сообществе, те, у которых они не активны в поле зрения исследователя не попадут. При внесении метаболических радиоактивных меток в сообщество важно минимально повредить его организацию, но обеспечить достаточную концентрацию метки. Время инкубации тоже проблемный момент: слишком короткая может оказаться недостаточной для полноценного включения меток, а слишком длительная приведёт к включению меток в организмы, поглотившие их из клеток, которые усвоили меченые молекулы

Наиболее распространённые мишени ПЦР для поиска метиллотрофов -  pmoA, mmoX, mxaF. Присутствие большинства известных метилотрофных бактерий можно выявить также с помощью праймеров к генам fae,mch, mtdB, и  fhcD. В сложных сообществах часто нелегко привязать конкретные гены, ассоциированные с метаболизмом к определённому виду. Обойти это ограничение можно либо с помощью накопления конкретного представителя сообщества в культуре, где он получает преимущество по сравнению с другими микроорганизмами, либо с использованием специфических меток.

При усвоении метана, метанола, метиламина и других одноуглеродных соединений, они превращаются ферментами микроорганизма в формальдегид, который у метилотрофов является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути (хотя есть данные указывающие на то, что разделение путей происходет позже, после преобразования формальдегида в формиат), приводящие к двум основным путям ассимиляции одноуглеродных соединений– рибулозомонофосфатному и сериновому. У факультативных метилотрофов чаще встречается сериновый путь. Кроме того, ассимиляция формальдегида через рибулозомонофосфатный цикл характерна для метилотрофов, имеющих мембранную организацию I типа, а через сериновый - для метилотрофов с системой внутрицитоплазматических мембран II типа. Мембраны I типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных по всей цитоплазме; внутрицитоплазматические мембраны II типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии цитоплазмы клетки. Далеко не все ферменты, задействованные в метилотрофии, изучены. Находят и описывают новые механизмы и ферменты, катализирующие эти процессы, особенно у криптических организмов. Новые сведения о механизмах метилотрофии может дать изучение новой, филы Verrucomicrobia  и других, мало изученных метилотрофов. Несколько представителей  Verrucomicrobia было выделено в культуру, все они были термофильными ацидофилами. У них была найдена особая, отличная от других метанмонооксигеназа. В остальном их метилотрофный метаболизм ещё предстоит охарактеризовать.

Чаще всего для окисления одноуглеродных соединений используется кислород, однако могут использоваться и другие акцепторы электронов. Если в среде много азота (например из-за удобрений), некоторые факультативные метилотрофы используют нитрат. Метанол добавляют в промышленные отходы, так как это ускоряет денитрификацию, но в этом сообществе находят в большом количестве метилотрофные микроорганизмы -  Methylophilaceae, Rhodocyclaceae, Paracoccus, и Hyphomicrobium, участвуют ли они в денитрификации в данном случае – не известно.

Ряд особенностей генов, ассоциированных с метилотрофией, указывает на случаи горизонтального переноса между неродственными организмами, хотя вариабельность генов внутри семейств чаще, всё же, совпадает с изменчивостью последовательностей рибосомных РНК. Тем не менее, найдены микроорганизмы, у которых гены, связанные с  метилотрофией вообще расположены на плазмиде. Геном Methylobacillus flagellatus, представителя бетапротеобактерий, включает гены различных путей усвоения метана и метанола, однако структура некоторых из них более близка к генам гаммапротеобактерий, чем к генам метилотрофных бетапротеобактерий, таким образом С1 метаболизм у бетапротеобактерий может иметь различное происхождение.

Сейчас стало ясно, что метилотрофы являются компонентом множества сообществ, эта способность возникла несколькими путями и гены, определяющие её могли распространяться горизонтальным переносом. Интерес к изучению метилотрофов связан не только с особенностями их метаболизма, но и с перспективами их практического использования в биотехнологии как продуцентов полноценного кормового белка и незаменимых аминокислот, в т. ч. лейцина и фенилаланина, и других веществ для промышленного и медицинского использования, а также их изотопно-меченых аналогов. Отмечено, что некоторые рекомбинантные белки лучше синтезируются метилотрофами, чем привычным объектом биотехнологии, кишечной палочкой. Кроме того, метанол – достаточно доступное и недорогое сырьё для выращивания микроорганизмов.