كيف تخزن ميكروبات أعماق البحار ثاني أكسيد الكربون؟

الباحثون يكشفون عن طريقة حياة مستشفي الجنايات

مخطط مبسط لمسار تثبيت ثاني أكسيد الكربون الجديد لمستشفى Ignicoccus نطاق الصورة: 1 ميكرون. © جامعة ريغنسبورغ
قراءة بصوت عال

اكتشف باحثون ألمان الآن طريقة جديدة لتخزين ثاني أكسيد الكربون: يستخدم الميكروب البحري Ignicoccus hospitalis ثاني أكسيد الكربون لصنع جزيئات عضوية أعلى. تساعد الإنزيمات عالية المقاومة للحرارة الخلايا أحادية الخلية ، حتى في الظلام المطلق ودرجات حرارة الماء التي تزيد عن 90 درجة مئوية على البقاء على قيد الحياة.

بالتعاون مع زملاء من جامعتي ريغنسبورغ وفرايبورج ، يعمل الباحثون في جامعة ميونخ التقنية (TUM) معًا لإيجاد استراتيجيات جديدة لإنتاج ثاني أكسيد الكربون من غازات الدفيئة ، وهو وسيط للصناعات الكيماوية والدوائية. يقدمون تقريرًا عن النتائج التي توصلوا إليها في النسخة الإلكترونية الحالية من وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (الإصدار المبكر من PNAS).

أهم تفاعل كيميائي حيوي على الأرض هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون ، من خلال التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء. من ثاني أكسيد الكربون والماء ، تنتج النباتات جزيئات غنية بالطاقة مثل السكر والأحماض الأمينية. يتم توفير الطاقة اللازمة بواسطة أشعة الشمس.

الهيدروجين كمصدر للطاقة

في قاع البحار العميقة ، كل شيء مختلف: العيش هنا في المداخن البركانية الحارة الكائنات الحية مثل مستشفى Archaeo Ignicoccus. بدون الضوء والأكسجين ، عند الضغط العالي ودرجة حرارة الماء 90 درجة مئوية ، فإن هذا الكائن الحي يبني الجزيئات العضوية اللازمة لحياته من ثاني أكسيد الكربون. يستخدم الهيدروجين كمصدر للطاقة. يتم تكييف إنزيماتها وأغشية الخلايا مع الظروف البيئية المميتة. إذا أمكن استخدام هذه الكائنات الحية أو إنزيماتها في العمليات الصناعية ، فسيكون هذا طريقًا لعمليات جديدة موفرة للطاقة ولطيفة.

عندما يتحرك شخص ما في العضلات ، تقوم سلسلة من الإنزيمات بتحطيم جزيئات غنية بالطاقة مثل السكر أو الأحماض الدهنية في ما يسمى دورة السيترات. المنتج الوسيط هو acetyl-CoA ، والذي يستخدم في الكائن الحي لإنتاج الطاقة المتاحة كيميائيا ، وكذلك ثاني أكسيد الكربون ، الذي يزفره. عرض

يقوم Ignicoccus hospitalis بالعكس تمامًا: فهو يستخدم دورة سيترات معدلة يمتص فيها ثاني أكسيد الكربون وينتج مركبات عالية الطاقة. مرة أخرى ، الأسيتيل COA هو الوسيط المركزي.

يرتبط ثاني أكسيد الكربون في الخطوة الأولى مباشرة بـ acetyl-CoA وبالتالي يتم إدخاله في الدورة. في المقام الثاني ، يتم إضافة ذرة كربون أخرى ، والتي تأتي أيضًا من ثاني أكسيد الكربون الممتص. في نهاية دورة التفاعل ، قام مجمع بقايا الأسيتيل ثنائي الأسيتيل بتجميع مركب يحتوي على أربع ذرات كربون ، يتم شقها في وحدتي أسيتيل CoA. واحد منهم يعود إلى الدورة ، والثاني متاح الآن ككتلة بناء غنية بالطاقة لبناء السكريات والأحماض الأمينية.

الطيفي بالرنين المغناطيسي يساعد في العمل

تم توفير المؤشرات الأولى من ردود الفعل الجزئية المحتملة في عملية التمثيل الغذائي لمستشفى Ignicoccus من قبل شركاء التعاون في معهد علم الأحياء الدقيقة في جامعة فرايبورغ. من أجل معرفة التغييرات التي أدخلت على الإنزيمات أي ذرة من المركب البادئ ، أطعم الزملاء في ريجنسبرج ثقافات الأركيل مع لبنات البناء الأيضية التي تمت تسمية ذرة الكربون فيها.

عادة ، يحتوي الكربون على ستة بروتونات وستة نيوترونات في نواه ، وبالتالي الكتلة الذرية اثنا عشر. استهدف العلماء TUM ذرات الكربون مع الكتلة الأساسية 13 دمجها في وسيطة من دورة سترات. باستخدام عينات من جامعة ريغنسبورغ ، تمكنوا بالتالي من تتبع بالضبط كيف انتقلت الذرات المسمى في عملية التمثيل الغذائي للوحيد الخلية من منتج وسيط إلى آخر. كانت هناك مساعدة كبيرة في التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي (الرنين المغناطيسي النووي ، الرنين المغناطيسي النووي) في مركز الرنين المغناطيسي النووي البافاري ، والذي يوجد أيضًا في TU Munich. وبالتالي ، في النهاية ، كان من الممكن توضيح دورة التفاعل بأكملها بكل الخطوات الوسيطة.

يوضح فولفجانج إيزنريخ من TU في ميونيخ "هذه الورقة تأسر بالتشابك بين العديد من الطرق المختلفة والتعاون المثمر للغاية بين العديد من مجموعات العمل بتركيز مختلف". في النتيجة ، تمكنا من إيجاد طريقة جديدة لتطوير كيفية استخدام ثاني أكسيد الكربون لإنشاء مركبات عضوية مفيدة. الجانب المهم الثاني هو الإنزيمات عالية المقاومة للحرارة. الآن يطلب من العلماء التطبيق المنحى لاشتقاق أساليب جديدة من النتائج

التعلم من الأشكال الأصلية للحياة

الأركيا هي بجانب الكائنات حقيقية النواة والبكتيريا من الدرجة الثالثة من الكائنات الحية. في السابق ، كانت تُحسب كبكتيريا ، لكن اتضح أن هناك اختلافات كبيرة بين البكتيريا والعتيقة. يرى العلم في الأركيا الشكل الأصلي للحياة على كوكبنا. في البيئات القاسية ، نجت هذه النماذج الأصلية. أنها تقاوم قلوية قوية أو الظروف الحمضية القوية ، تركيزات عالية من الملح ودرجات حرارة تصل إلى 120 درجة مئوية ، القاتلة لجميع الكائنات الحية الأخرى.

يحمل علم الآثار الذي تمت دراسته اسم Ignicoccus hospitalis ("كرة نارية مضيافة") ، لأنه الكائن الحي المضيف لآخر آثاري ، أو equitans nanoarchaeum الأصغر بكثير أو قزم المشي البدائي. كلاهما يشكل شراكة فريدة من نوعها ، والتي ، مع ذلك ، لم يتم شرحها بالكامل. اكتشف نوعان من العاملين في المركز الأثري لجامعة ريغنسبورغ في عينات من المخارج من بركان تحت الماء شمال أيسلندا.

(idw - الجامعة التقنية في ميونيخ ، 20.05.2008 - DLO)