Mikrober fra marine vulkanske ventilationsåbninger afslører, hvordan mennesker tilpassede sig en ændret atmosfære

Gamle mikrober, der trives i nogle af verdens mest ekstreme miljøer og nutidens mennesker, har mere tilfælles end man kan se-f.eks. de både respirerer og sparer energi ved hjælp af en lignende molekylær mekanisme, en, der har tilpasset sig skiftende miljøforhold over milliarder af år.

Fundene, udgivet i dag i Celle af forskere ved Van Andel Research Institute (VARI), University of Georgia (UGA) og Washington State University, detaljer om strukturen af ​​MBH, et molekylært kompleks involveret i mikrobiel respiration. Billederne med næsten atomær opløsning er de første nogensinde af MBH og viser, at dens struktur er bemærkelsesværdigt lig dens modstykke hos mennesker, Kompleks I.

"Naturen er rigtig god til at finde molekyler, der virker og så modificere dem og bruge dem igen og igen. Dette er et glimrende eksempel, " sagde Michael W.W. Adams, Ph.D., en UGA Distinguished Research and Georgia Power Professor, der har studeret MBH i 20 år. "At kende MBHs struktur giver os ny indsigt i, hvordan Complex I udviklede sig, og hvordan det kunne fungere."

Næsten alt liv på Jorden er afhængigt af åndedræt, som omdanner elektrisk energi til en brugbar, kemisk form. MBH og Complex I er vigtige dele af denne proces; imidlertid, indtil nu, den evolutionære forbindelse mellem dem var uklar. MBHs struktur illustrerer også en mekanisme til omdannelse af elektrisk energi til kemisk energi, der er enklere end den i kompleks I.

"Bestemmelsen af ​​MBHs struktur udfylder nogle vigtige manglende stykker, der afslører, hvordan livet tilpassede sig store ændringer i miljøet gennem årtusinderne, " sagde Huilin Li, Ph.D., en professor i VARI's Center for Epigenetik og co-senior forfatter på undersøgelsen. "Dette løser en grundlæggende, langvarigt mysterium i biologi."

MBH betragtes som et gammelt åndedrætssystem, fordi det var isoleret fra Pyrococcus furiosus , en mikrobe, der vokser bedst i kogende vand, og som i milliarder af år har slået sit hjem i vulkanske marine udluftninger. Dette ugæstfrie miljø, med sin skadelige blanding af gasser og ekstreme temperaturer, er beslægtet med de atmosfæriske forhold, der findes på en meget yngre, meget mere flygtig planet.

Selvom mange aspekter af de to komplekser ligner hinanden, Complex I har flere ekstra loops, der gør det muligt at interagere med flere molekyler end MBH, en tilpasning, der sandsynligvis opstod sammen med et skift i Jordens atmosfæriske sammensætning.

"Det er fantastisk at se disse to fjernt beslægtede systemer omorganisere deres fælles elementer for at tilpasse sig deres forskellige levevilkår, " sagde Hongjun Yu, Ph.D., undersøgelsens første forfatter og en forsker i Lis laboratorium. "Det ser ud, som om naturen leger med sine egne byggeklodser."

Forskellene afspejles også i deres stofskifte; mennesker indånder ilt og udånder kuldioxid, en konvertering hjulpet på vej af Complex I, mens P. furiosus bruger MBH til at udvise hydrogengas, muligvis åbne potentialet for dets anvendelse som kilde til ren energi.

MBH blev visualiseret ved hjælp af VARI's højtydende Titan Krios kryo-elektronmikroskop (cryo-EM), som er i stand til at afbilde molekyler 1/10, 000. bredden af ​​et menneskehår. Instituttets Krios er et af færre end 120 sådanne mikroskoper i verden.