康斯坦茨生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種既新又古老的基于磷的細(xì)菌代謝。它的發(fā)現(xiàn)故事講述了20世紀(jì)80年代的計(jì)算、一座污水處理廠、一種新的細(xì)菌有機(jī)體以及大約25億年前的遺跡。
我們的敘述從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，從一張紙開(kāi)始。在這張紙上，一位科學(xué)家計(jì)算出，化合物亞磷酸鹽轉(zhuǎn)化為磷酸鹽會(huì)釋放足夠的能量來(lái)產(chǎn)生細(xì)胞的能量載體——ATP分子。因此，通過(guò)這種方式，微生物應(yīng)該可以為自身提供能量。與我們星球上的大多數(shù)生物體不同，這種生物體不依賴(lài)于光或有機(jī)物分解的能量供應(yīng)。
科學(xué)家實(shí)際上成功地從環(huán)境中分離出了這種微生物。正如計(jì)算所預(yù)測(cè)的那樣，其能量代謝是基于亞磷酸鹽氧化為磷酸鹽。但生化機(jī)制到底是如何運(yùn)作的呢?
遺憾的是，理解這一過(guò)程背后的生物化學(xué)所需的關(guān)鍵酶仍然隱藏著，因此這個(gè)謎團(tuán)多年來(lái)仍未解開(kāi)。在接下來(lái)的三十年里，這張紙一直被放在抽屜里，研究方法被擱置一旁。然而這位科學(xué)家卻無(wú)法將這個(gè)想法從他的腦海中抹去。
這位科學(xué)家是康斯坦茨大學(xué)湖沼學(xué)研究所教授伯恩哈德·辛克(BernhardSchink)。在他在紙上進(jìn)行計(jì)算三十年后，一個(gè)意想不到的發(fā)現(xiàn)讓事情再次開(kāi)始。
污水廠、意外發(fā)現(xiàn)和新物種
他多年來(lái)一直在腦海中思考的東西終于在康斯坦茨的一家污水處理廠找到了，距離申克的實(shí)驗(yàn)室只有幾公里。來(lái)自康斯坦茨的生物學(xué)博士研究員毛竹清檢查了污水污泥樣本，發(fā)現(xiàn)了第二種微生物，它也從亞磷酸鹽中獲取能量。辛克領(lǐng)導(dǎo)的康斯坦茨生物學(xué)家將這種細(xì)菌放置在只有亞磷酸鹽作為食物來(lái)源的環(huán)境中。事實(shí)上，細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)了。
“這種細(xì)菌依靠亞磷酸鹽氧化生存，據(jù)我們所知，完全依靠這種反應(yīng)。它以這種方式進(jìn)行能量代謝，同時(shí)可以利用CO2來(lái)構(gòu)建其細(xì)胞物質(zhì)，”Schink解釋道。“這種細(xì)菌是一種自養(yǎng)生物，就像植物一樣。然而，它不像植物那樣需要光，因?yàn)樗鼜膩喠姿猁}氧化中獲取能量。”令人驚訝的是，事實(shí)證明，這種細(xì)菌不僅是一個(gè)新物種，而且實(shí)際上形成了一個(gè)全新的細(xì)菌屬。
追蹤分子機(jī)制
從那時(shí)起，事情發(fā)生得很快?？邓固勾牡恼麄€(gè)研究人員網(wǎng)絡(luò)致力于解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，其中包括Schink、NicolaiMüller、DavidSchleheck、JenniferFleming和OlgaMayans。他們生產(chǎn)了這種新菌株的純培養(yǎng)物，最終能夠識(shí)別出觸發(fā)亞磷酸鹽氧化為磷酸鹽的關(guān)鍵酶。
“突破來(lái)自NicolaiMüller和他的酶實(shí)驗(yàn)，”DavidSchleheck說(shuō)。NicolaiMüller成功地清楚地展示了該酶的活性，從而揭示了關(guān)鍵酶背后的生化機(jī)制。OlgaMayans和JenniferFleming創(chuàng)建了其酶結(jié)構(gòu)和活性中心的三維模型，以了解反應(yīng)途徑。
“非常令人驚訝的是，在氧化過(guò)程中，亞磷酸鹽顯然直接與能量載體前體AMP偶聯(lián)，從而產(chǎn)生了能量載體ADP。在隨后的反應(yīng)中，兩個(gè)生成的ADP轉(zhuǎn)化為一個(gè)ATP，在此基礎(chǔ)上有機(jī)體最終會(huì)生存，”尼古拉·穆勒概述了反應(yīng)途徑。
最后，一切都匯集到了一起：原始的紙張變成了堆論文，最終發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。
25億年前的遺跡
新型能量代謝的發(fā)現(xiàn)本身就是一項(xiàng)偉大的科學(xué)成功。然而，研究小組認(rèn)為，這種類(lèi)型的新陳代謝絕不是新的，而是非常古老的，甚至是古老的：大約有25億年的歷史。
“據(jù)推測(cè)，在進(jìn)化的早期，當(dāng)?shù)厍蚶鋮s時(shí)，磷在很大程度上仍然以部分還原的形式存在，只是后來(lái)逐漸被氧化。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的新陳代謝非常適合微生物進(jìn)化的早期階段，”辛克解釋道。
因此，細(xì)菌用于新陳代謝的生化機(jī)制并不新鮮，但很可能從我們星球的原始時(shí)代就被保留下來(lái)：當(dāng)我們星球上的生命開(kāi)始時(shí)，第一批微生物必須以亞磷酸鹽等無(wú)機(jī)化合物為食。因此，新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)為我們星球的早期生化進(jìn)化提供了線索。此外，它們還提供了生化機(jī)制的關(guān)鍵，使生命在非常惡劣的地方，甚至可能在外星球上成為可能。
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