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颠覆性成果!二氧化碳是能量代谢终产物?也是万物生长能量之源!

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BioArt 2021-05-08 10:25

撰文 | 春晓
责编 | Qi

最近领导人气候峰会有两个关键词“碳达峰”和“碳中和”,这个两个词和二氧化碳(CO2)有着极密切的联系。若是从上新闻头条的次数来比比哪个化学物质热度最高,那必是家喻户晓、妇孺皆知的CO2,因为日益增加的CO2排放带来了严重的气候问题,以至于对人类来说,它就像一种威胁与灾难。然而,陷入CO2恐慌中的人类是否还记得:万物生长需碳源。对大多数微生物而言,CO2是它们的一场盛宴,在生态系统中,CO2更是提供了万物生长的碳源。

几乎在所有的生命形式中,能量代谢的一般途径是三羧酸循环(TCA循环,也称Krebs循环,由1953年诺贝尔生理医学奖得主Krebs发现),TCA循环将食物中的糖、脂、蛋白质三大营养物质最终转化为能量和CO2。然而近日的一篇报道发现在某些细菌中,TCA循环被反转了。

近日,来自德国明斯特大学的Ivan A. Berg研究团队和慕尼黑工业大学的Wolfgang Eisenreich团队合作在Nature杂志上发表题为High CO2 levels drive the TCA cycle backwards towards autotrophy的研究论文,在这篇论文中,作者发现了细菌中非常奇巧的循环过程——逆向运行TCA循环,这个过程使得细菌能够在充斥着CO2气体的环境中茁壮成长,为物种起源提供了新的线索。

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是什么使得TCA循环在细菌特定的生长条件下反向运行?作者留意到了柠檬酸合酶,尽管公认柠檬酸合酶这步反应几乎是不可逆的,但是在逆向的氧化TCA循环中,柠檬酸合酶水平极高,取代了还原性TCA循环中的ATP柠檬酸裂解酶,导致循环每转一圈消耗的ATP当量减少,除此之外,这种逆向的TCA循环还需要铁氧还蛋白依赖的2-酮戊二酸合酶,而不是NAD依赖的脱氢酶。

这篇研究论文中,作者使用Hippea maritima细菌作为研究对象(图1),用13C碳同位素标记法示踪被Hippea maritima细菌吃掉的CO2,记录中间分子13C的积累,从而表征出Hippea maritima细菌的逆向TCA循环过程。

图1. Hippea maritima细菌的逆向TCA循环。

这个逆循环最大的关键点在于那个在大多数生命体中都不会逆着走的柠檬酸合酶。但与众不同的是,在CO2充足的情况下,Hippea maritima细菌以CO2作为碳源,同时,细菌中极高水平的柠檬酸合酶推动反应生成更多的acetyl-CoA(乙酰辅酶A),acetyl-CoA再通过CO2的作用形成Pyruvate(丙酮酸)结束了自己曾在正向TCA循环中的重要地位,丙酮酸进一步转变为糖、脂和氨基酸(图2)。环境中高浓度的CO2不断推动着循环朝着将CO2转化为乙酰辅酶A的方向发展。逆向TCA循环可能在富含CO2的原始大气环境中发挥着固定CO2的作用。

图2. 逆向TCA循环机制图。

这种方向的改变,逆转了TCA循环,将CO2转化为了糖、脂和氨基酸。同期的Nature上还刊登了德国杜塞尔多夫大学Martina Preiner 和William F. Martin的评论Life in a carbon dioxide world,他们认为除了CO2,氢气(H2)也参与了一些细菌中的逆向TCA循环,将CO2和H2结合起来形成氨基酸、糖和脂质等分子(图2)。Hippea maritima细菌并不是唯一已知的具有可逆代谢的细菌。

Martina Preiner 和William F. Martin高度评价了Ivan A. Berg和Wolfgang Eisenreich团队的工作:“他们一个碳原子一个碳原子地向我们展示了细胞对其环境中的底物做了什么。”、“真正地理解了微生物生命的化学反应。”、“微生物可能以一种我们意想不到的方式不断调整着关键酶的水平,以便在遇到高浓度的CO2之前做好利用它们的准备。这使得微生物的代谢与环境之间产生了一种优雅的和谐。”

总而言之,这项研究成果非常引人入胜,因为它不仅提供了微生物生态学的新见解,而且还提供了一扇了解古代历史的窗口。这项研究向我们展示了在被认为与地球上第一批微生物遇到的环境相似的条件下【1】,生命起源的可能方式:这些万物之源的微生物必须能够将CO2作为自己的食物以维持生存。

然而,CO2只是问题的一半。为了将CO2转化为有机化合物,微生物还需要化学能与电子,那么它们来自哪里?40亿年来,微生物一直靠地壳不断产生的大量H2所提供的能量为生。可以想象,CO2和H2开启了最早的生化反应途径,这听起来有些不可思议,但是地球物质丰富,也许意料之外、情理之中【2】。

更大胆的猜想,除了Hippea maritima细菌之外,也许整个生态系统中,细菌都能从CO2和H2反应所提供的能量中茁壮成长。这项研究是人类探索祖先奥秘的一步里程碑式的发现,未来还会有许多古老又神秘的祖先留下来的蛛丝马迹待我们来继续探索发现。

原文链接:

  1. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03456-9
  2. https://doi.org/10.1038/d41586-021-00977-1

参考文献

1. Fuchs G. Alternative pathways of carbon dioxide fixation: insights into the early evolution of life?. Annu Rev Microbiol. 2011; 65: 631-658.

2. Baross JA. The rocky road to biomolecules. Nature. 2018; 564 (7734): 42-43.

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