Bakterier i miljøer med mangel på jern behandler kulstofkilder selektivt

Når mennesker har lave jernniveauer, de har en tendens til at føle sig svage, træt og svimmel. Denne træthed forhindrer patienter med anæmi med jernmangel i at træne eller anstrenge sig for at spare på energien.

Tilsvarende i miljøer med lavt jernindhold, mikrober overlever ved at bremse kulstofbehandlingen og udvinde jern fra mineraler. Imidlertid, denne strategi kræver, at mikrober investerer dyrebare fødekilder i at producere mineralopløselige forbindelser. I lyset af dette paradoks, forskere ønskede at forstå, hvordan mikrober opretholder overlevelsesstrategier i miljøer med for lidt jern til at trives.

Jern er afgørende for kulstofmetabolismen, fordi det kræves af de proteiner, der er involveret i behandlingen af ​​kulstof. Men fordi ilt gør opløseligt jern mindre rigeligt i miljøet, bakterier opererer ofte under jernbegrænsning og har behov for at lukke ned eller dramatisk reducere kulstofindtaget.

Ser man på en gruppe bakterier fra jord, forskere ved Northwestern University opdagede, at disse organismer overvinder begrænsninger i deres kulstofbehandlingsmaskineri ved at omdirigere deres metaboliske veje for at favorisere producerende jernopfangende forbindelser. Undersøgelsen er den første til at bruge metabolomics, en højopløsningsteknik til at overvåge kulstofstrømmen i cellerne, at studere jerns indvirkning på kulstofkredsløbet i bakterieceller.

Undersøgelsen blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ludmilla Aristilde, en lektor i civil- og miljøteknik ved McCormick School of Engineering, ledet forskningen. Hendes forskningsgruppe fokuserer på at forstå miljøprocesser, der involverer organiske stoffer, med konsekvenser for økosystemernes sundhed, landbrugsproduktivitet og miljømæssig bioteknologi.

Inden for netværket af metabolisme i bakterier, citronsyrekredsløbet giver de kulstofskeletter, der er nødvendige for at fremstille jern-fjernende forbindelser. Metabolisme af visse kulstofkilder genererer bedre kulstof og brændstof fra citronsyrekredsløbet. Jern-udsultede bakterier favoriserer kulstofforarbejdning gennem citronsyrecyklussen for at producere flere jernopfangende forbindelser. Aristilde sagde, at dette fund er vigtigt, fordi forskningen afslører, at uorganiske næringsstoffer kan have en direkte indvirkning på organiske processer.

"Hierarkiet i kulstofmetabolisme fremhæver, at selektivitet i specifikt kulstofforbrug er stærkt forbundet med noget, der er uorganisk, " sagde Aristilde. "For at sætte dette i sammenhæng med klimaændringer, vi er nødt til at forstå, hvilke forhold der styrer jordens kulstofkredsløb og dets bidrag til kuldioxid."

Ved at fokusere på Pseudomonas-arterne i jord, forskergruppen var i stand til at drage slutninger om andre arter. Pseudomonas-bakterierne eksisterer også som menneske- og plantepatogener, i vores tarm og andre steder i miljøet. Aristilde håber, at fordi de bakterier, hun og hendes forskere valgte at studere, er så allestedsnærværende, fremtidig forskning vil kunne bruge hendes gruppes resultater som en køreplan.

Tidligere forskning studerede organismeadfærd med en lavere opløsning af information. Mens videnskabsmænd har brugt genomik til at forudsige, hvad der kan ske i metabolisme af arter baseret på identifikation og måling af gener, Aristilde-laboratoriet bruger metabolomics af arten til at fange, hvad der faktisk sker i stofskiftet. Deres forskning giver spor, der antyder, at mange andre organismer og systemer også kan anvende lignende metaboliske strategier.

Som miljøingeniør, Aristilde sagde, at hendes studieområde handler om at forstå mekanismer og lave forudsigelser om, hvordan miljøprocesser som kulstofkredsløbet opfører sig. Ud over kulstofcykling og klimaændringer, undersøgelsen har også betydning for planters og menneskers sundhed. At forstå, hvordan bakterier, der forårsager bøjninger, ændrer kulstofmetabolismen for at konkurrere om jern i deres plante- eller menneskeværter, kan sætte forskerne i stand til bedre at designe målbehandlinger.