Археи — один из трёх основных царств живых организмов наряду с бактериями и эукариотами [ближе к людям по эволюции], – долгое время представляли собой тайну в отношении того, как они способны обратимо приостанавливать активность рибосом и переносить продолжительные периоды дефицита питательных веществ. У бактерий же давно изучены молекулярные процессы, позволяющие временно «выключать» рибосомы – это не аналог сна у животных с нервной системой, а скорее клеточная спячка, механизм адаптации к голоду, низким температурам или недостатку энергии посредством отключения синтеза белков и одновременной защиты этих структур от самопереваривания.

До этого момента подобные системы сохранения рибосом были обнаружены исключительно у бактерий и в клетках эукариотов. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, впервые демонстрирует наличие собственного семейства белков у архей, выполняющих аналогичную функцию. Учитывая, что археи являются «лидерами по выживанию» в условиях высоких температур, кислотной среды и под землёй, изучение их стратегии ожидания помогает глубже понять основные принципы адаптации жизни к экстремальным условиям.

Исследовательская группа работала с метаногенной археей Methanosarcina acetivorans – организмом, производящим метан и обитающим в средах без кислорода. В условиях недостатка ресурсов этот микроорганизм активирует экспрессию четырёх ранее не идентифицированных белков, объединённых в единый генетический комплекс. Два из этих белков присоединяются к большой субъединице рибосомы и блокируют место сборки белковой цепи; ещё два связываются с малой субъединицей, перекрывая каналы для проникновения матричной РНК. В результате рибосома фиксируется в неактивном, но защищённом состоянии: она прекращает синтез белков, экономит энергию и – что особенно важно – её РНК остаётся неуязвимой от разрушения клеточными ферментами.

Исследование с использованием подавления генов продемонстрировало, что рассматриваемый механизм функционирует как адаптация к неблагоприятным условиям, а не как средство контроля роста. Клеточные линии, лишенные указанных белков, демонстрировали нормальный рост в стандартных условиях; однако после 28 дней отсутствия питательных веществ они восстанавливались значительно медленнее – на 32% по сравнению с контрольными образцами. Период латентности, характеризующий время от начала культивирования до старта деления клеток, увеличился с 56 до 74 часов. Параллельно в мутантных клетках отмечалось практически полное разрушение зрелой рибосомной РНК размером 16S и исчезновение субъединиц 30S. Анализ последовательностей нуклеиновых кислот выявил снижение уровня транскриптов, связанных с образованием рибосом, на треть.

Таким образом, эти белки выполняют не только функцию блокировки синтеза белка, но также физически защищают наиболее уязвимые участки рибосомы, предотвращая доступ к ним деструктивным ферментам.

В ходе исследования геномов почти семи тысяч видов архей было установлено, что гены, кодирующие эти белки, присутствуют у 23% из них. В совокупности с другими факторами, способствующими состоянию покоя (гибернации), они охватывают до 65% всего генома архей. Высокая степень сохранения структуры белков в видах, сохранивших полный комплекс этих компонентов, свидетельствует о древнем происхождении данной системы – она существовала ещё у общего предка всех архей.

Данное открытие восполняет важный пробел в нашем понимании того, как три домена живых организмов независимо друг от друга разработали схожую стратегию: приостанавливать работу наиболее энергозатратного клеточного механизма и сохранять его для последующего использования. В прикладных областях это открывает новые возможности воздействия на метаногенные археи в биотехнологических процессах и экологическом мониторинге, а с точки зрения фундаментальной науки – предоставляет дополнительное подтверждение тому, что способность к клеточной гибернации является универсальным и очень древним свойством живых организмов.