科學家在海底深處發現細菌有從未見過的新陳代謝

德國科學家在深海底深處發現一種奇怪的細菌可能具有從未見過的新陳代謝。該細菌名為伍氏醋酸杆菌(Acetobacterium woodii),該物種也生活在白蟻的腸道中,它即使不需要氧氣,也可以自行產生和利用氫和二氧化碳來產生能量。這種細菌在沒有氧氣的情況下能夠靠有機和無機物質生存的能力使它在微生物中非常獨特,儘管科學家長期以來一直懷疑存在這種細菌,但從未在產乙酸菌中清楚地描述過,該細菌能在無氧氣的情況下產生甲烷。

德國法蘭克福歌德大學的微生物學家Volker Müller表示:「已經有許多人推測,許多古老的生命形式都具有伍氏醋酸杆菌所描述的新陳代謝。例如,幾年前在加州海底發現的阿斯嘉古細菌(Asgard archaea)。我們的研究提供了這些代謝途徑確實存在的第一個證據。」

海底熱泉是在70年代被發現的,從那以後,我們開始意識到這些奇怪的棲息地是複雜生命形式的家園,包括幾厘米厚的細菌墊,它們以氫和硫化物等無機化合物為食 。

這可能是世界上最大能將氫轉化的微生物的儲存庫之一,因此,被認為其中某些生物可能具有不同於我們以前見過的新陳代謝系統。問題是,過量的氫氣會抑制發酵過程,即使是最弱的海底熱泉也很容易超過容納發酵細菌所需的水準。所以,這種微生物怎麼會存在這裡?

答案在於團結一致。 如果產生氫的一種細菌與氧化氫的另一種微生物結合在一起,例如產生甲烷的古細菌,那麼後者可以維持良好的環境條件,使前者得以生存和繁殖。這在海底深處是一種很好的共生關係,但是雖然這可能是在這些環境中發生的主要發酵形式,但它可能不是唯一的一種。新的分析聲稱發現了一種能夠在一個細菌細胞中同時發揮兩種作用的微生物。

該分析作者指出:「相比之下,伍氏醋酸杆菌在一個細菌細胞中結合了兩個共營伴侶的代謝特徵。根據環境條件,伍氏醋酸杆菌可以扮演發酵伴侶或耗氫伴侶的角色。」

目前尚不清楚該細菌是如何辦到這一點,但作者推測一種途徑會將有機基質發酵成乙酸、醇和分子氫,而另一種途徑則充當外部環境的「電子匯」,透過來自二氧化碳和氫形成的醋酸使發酵在能量上成為可能 。

研究員關閉了控制產生氫氣的酶的基因,他們發現該細菌只有在添加外部氫氣的情況下才能在果糖基質上生長。 進一步的測試表明,兩條路徑都與氫氣相連,而不離開細胞。雖然這種雙重代謝可能存在於其他細菌中,但該系統卻很少見。 伍氏醋酸杆菌的氫閾值較低,且並不能像古細菌一樣將二氧化碳轉化為甲烷產生那麼多能量。這表示活耀的產乙酸菌可能在這些海底熱泉數量較少,這也許是為什麼它們一直沒有被發現的原因。

分子微生物學家Anja Wiechmann表示:「雖然我們發現了’氫循環利用’,但伍氏醋酸杆菌具有最大的代謝靈活性。在一個循環中,它既可以自身產生和使用氫,也可以利用外部來源的氫。」

參考資料:The ISME Journal

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