Opdagelse af et oprindeligt metabolisk system, der giver os et glimt af livets oprindelse på Jorden

Fig. 1:Forholdet mellem TCA -cyklussen og pyruvat, acetyl-CoA, oxaloacetat, oxoglutarat, og succinyl-CoA er vist. Kredit:Hokkaido University

Multi-omics forskning på Thermosulfidibacter (isoleret fra et hydrotermisk felt i det sydlige Okinawa-trug) har muliggjort opdagelsen af muligvis den mest oprindelige form for tricarboxylsyre (TCA) cyklus.

TCA -cyklussen er en vigtig metabolisk mekanisme, der er afgørende for de fleste organismer. Det går tilbage til udseendet af den sidste fælles forfader på Jorden og anses for at være "en af de tidligste metaboliske linjer" siden begyndelsen af den kemiske evolution (fig. 1). Selvom TCA -cyklussen kan eksistere i flere former, der er forskellige argumenter vedrørende dens oprindelige sammensætning på det tidspunkt, hvor livet begyndte på jorden.

Forskningsgruppen har opdaget, at den termofile bakterie Thermosulfidibacter takaii (fig. 2, i det følgende benævnt "Thermosulfidibacter") placeret i en basal position af bakterien har en ny TCA -cyklus, muligvis den mest primitive form endnu kendt. Multi-omics analyser, herunder en ny metode til metabolomik, har afsløret, at Thermosulfidibacter har en reversibel TCA -cyklus, der fleksibelt kan ændre reaktionsretningen afhængigt af tilgængelige kulkilder, uanset at være under autotrofiske eller mixotrofiske forhold (fig. 3). Indtil dato, ingen anden organisme har vist sig at udvise både carbonfiksering (autotrofi) og decarboxylering (heterotrofi) funktioner i TCA -cyklussen, ved hjælp af det samme sæt enzymer. Blandt TCA -cyklusser er den, der observeres i Thermosulfidibacter, er "eksotisk" på grund af dens evne til bekvemt at vende reaktionsretningen som reaktion på dynamisk svingende miljøforhold, og det menes at udvise egenskaber ved den mest basale form af TCA -cyklussen.

Fig. 2:En Thermosulfidibacter takaii -celle. Kredit:Hokkaido University

Selvom det evige spørgsmål, om de oprindelige livsformer var autotrofiske eller heterotrofiske, mangler at blive besvaret (fig. 4), egenskaberne ved den oprindelige TCA -cyklus, der blev afsløret i denne undersøgelse, tyder kraftigt på muligheden for, at mixotrofisk liv kan fødes, hvilket kan variere dets metabolisme fleksibelt i henhold til overflod af tilgængelige organiske og uorganiske carbonatomer på den oprindelige jord.

Resultaterne blev offentliggjort i Videnskab den 2. februar, 2018.

Fig. 3. Skematisk fremstilling af driften af (r) TCA-cyklussen af T. takaii under de kemolithautotrofiske og kemolithomixotrofiske vækstbetingelser baseret på isotopologanalysen af proteinafledte aminosyrer ved anvendelse af 13C-mærkede substrater. Celler blev dyrket kemolithoautotrophically (A). Celler dyrket kemolithomixotrofisk med succinat (B), acetat (C), og succinat og acetat (D) i nærvær af gærekstrakt. Cirkler angiver carbonatomer i forbindelsen (positionsnummeret læses fra venstre mod højre). ATP-uafhængig citratspaltning blev observeret i celler dyrket kemolithoautotrophically og chemolithomixotrophically med succinat. Røde stiplede linjer angiver veje bekræftet af transkriptom- og proteomanalyser, men ikke bekræftet af isotopomeranalysen. Blå stiplede linjer angiver veje bekræftet af transkriptom- og proteomanalyserne, men kan teoretisk ikke identificeres ved isotopomermønstrene. Kredit:Hokkaido University
Fig. 5:Forskellige former for den kendte TCA -cyklus og den reversible TCA -cyklus (påvist i Thermosulfidibacter) er afbildet. Kredit:Hokkaido University

Sidste artikelUdskrivbar, farverig camouflage med polymerer

Næste artikelBrint:fremtidens brændstof?