پرده برداری از شکل پنهان انرژی باکتریایی

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، در یک پیچ و تاب غیرمنتظره از اکتشافات علمی، تیمی از دانشگاه کنستانز به رهبری پروفسور برنهارد شینک، نوعی از متابولیسم باکتریایی را که دانش مرسوم تولید انرژی بیولوژیکی را به چالش می کشد، روشن کردند. این کشف به یک پیش بینی در دهه 1980 بازمی گردد، که اکنون با جداسازی اخیر گونه ای باکتریایی منحصربه فرد که قادر به زنده ماندن تنها با اکسیداسیون فسفیت به فسفات است، اثبات شده است - یافته ای که با درک ما از شرایط اولیه زمین طنین انداز می شود.

ماهیت این پیشرفت در این واقعیت نهفته است که بر خلاف بسیاری از اشکال حیات که به نور خورشید یا تجزیه مواد آلی برای انرژی متکی هستند، این میکروارگانیسم ها از یک واکنش شیمیایی که پیش بینی می شد کلید تولید ATP را نگه می دارد، تأمین می کنند. این پیش بینی، که در ابتدا بر روی یک تکه کاغذ ترسیم شد، تا سه دهه بعد به دلیل کار دقیق یک محقق دکترا، تا حد زیادی ناشناخته باقی ماند. در میان شن و ماسه یک کارخانه فاضلاب در نزدیکی کنستانز، میکروب دوم در فسفیت یافت شد که این فرضیه را از قلمرو تئوری به دنیای ملموس متابولیسم میکروبی سوق داد.

روایت ما از اواخر دهه 1980 با یک ورق کاغذ شروع می شود. در این صفحه، یک دانشمند محاسبه کرد که تبدیل ترکیب شیمیایی فسفیت به فسفات انرژی کافی برای تولید حامل انرژی سلول - مولکول ATP - آزاد می کند. به این ترتیب، یک میکروارگانیسم باید بتواند انرژی خود را تامین کند.

برخلاف بسیاری از موجودات زنده در سیاره ما، این موجودات وابسته به تامین انرژی از نور یا تجزیه مواد آلی نخواهد بود.

این دانشمند در واقع موفق شد چنین میکروارگانیسمی را از محیط جدا کند. متابولیسم انرژی آن بر اساس اکسیداسیون فسفیت به فسفات است، همانطور که در محاسبات پیش بینی شده است. اما مکانیسم بیوشیمیایی دقیقاً چگونه کار می کند؟

متأسفانه، آنزیم کلیدی مورد نیاز برای درک بیوشیمی پشت این فرآیند پنهان ماند و بنابراین این راز برای سال ها حل نشده باقی ماند.

دانشمند برنهارد شینک، استاد موسسه لیمنولوژی دانشگاه کنستانز است. چیزی که سالها در پس ذهن او بود، سرانجام در یک کارخانه فاضلاب در کنستانز، تنها چند کیلومتر با آزمایشگاه شینک، از همه جا پیدا شد. ژوکینگ مائو، محقق دکترای زیست شناسی از کنستانز، نمونه لجن فاضلاب را بررسی کرد و میکروارگانیسم دوم را کشف کرد که انرژی خود را نیز از فسفیت می گیرد. زیست شناسان کنستانز به رهبری شینک این باکتری را در محیطی قرار دادند که در آن فقط فسفیت به عنوان منبع غذایی وجود داشت. و در واقع، جمعیت باکتری رشد کرد.

شینک توضیح می دهد: این باکتری از اکسیداسیون فسفیت و تا آنجا که ما می دانیم منحصراً در این واکنش زندگی می کند. متابولیسم انرژی خود را از این طریق پوشش می دهد و می تواند همزمان ماده سلولی خود را از CO2 بسازد.

این باکتری مانند یک گیاه یک ارگانیسم اتوتروف است، اما مانند یک گیاه به نور نیاز ندارد، زیرا انرژی خود را از اکسیداسیون فسفیت می گیرد. با کمال تعجب، مشخص شد که این باکتری نه تنها یک گونه جدید است، بلکه در واقع یک جنس کاملاً جدید از باکتری ها را تشکیل می دهد.

از آن نقطه به بعد، همه چیز خیلی سریع اتفاق افتاد. شبکه کاملی از محققان کنستانز، از جمله شینک، نیکولای مولر، دیوید شلهک، جنیفر فلمینگ و اولگا مایان ها، خود را وقف کشف این راز کردند. آنها کشت خالصی از این سویه باکتریایی جدید تولید کردند که در نهایت توانستند آنزیم کلیدی را که باعث اکسیداسیون فسفیت به فسفات می شود، شناسایی کنند.

دیوید شلهک می گوید: «این پیشرفت با نیکلای مولر و آزمایش های آنزیمی او حاصل شد. نیکولای مولر موفق شد به وضوح فعالیت آنزیم را نشان دهد و در نتیجه مکانیسم بیوشیمیایی پشت آنزیم کلیدی را کشف کند. اولگا مایان و جنیفر فلمینگ مدلی سه بعدی از ساختار آنزیمی و مرکز فعال آن برای درک مسیر واکنش ایجاد کردند.

نیکولای مولر مسیر واکنش را ترسیم می کند: چیزی که بسیار شگفت انگیز بود این بود که در طی اکسیداسیون، فسفیت ظاهراً مستقیماً با پیش ساز حامل انرژی AMP جفت می شود، که به موجب آن حامل انرژی ADP ایجاد می شود. در واکنش بعدی، در دو تا از ADPهای تولید شده به یک ATP تبدیل می شوند، که ارگانیسم در نهایت روی آن زندگی می کند.

کشف نوع جدیدی از متابولیسم انرژی به خودی خود یک موفقیت علمی بزرگ است. با این حال، تیم تحقیقاتی فکر می کند که این نوع متابولیسم به هیچ وجه جدید نیست، بلکه بسیار قدیمی و حتی باستانی است: حدود 2.5 میلیارد سال قدمت دارد.

فرض بر این است که در روزهای اولیه تکامل، زمانی که زمین در حال خنک شدن بود، فسفر هنوز تا حد زیادی به شکل نسبی کاهش یافته وجود داشت و تنها بعداً به تدریج اکسید شد. شینک توضیح می دهد که متابولیسمی که اکنون کشف کرده ایم به خوبی با فاز اولیه تکامل میکروارگانیسم ها مطابقت دارد.

مکانیسم بیوشیمیایی که این باکتری برای متابولیسم خود استفاده می کند، جدید نیست، اما به احتمال زیاد از زمان های اولیه سیاره ما حفظ شده است: زمانی که زندگی در سیاره ما شروع شد و اولین میکروارگانیسم ها مجبور بودند از ترکیبات معدنی مانند فسفیت تغذیه کنند. بنابراین یافته های علمی جدید سرنخ هایی از تکامل بیوشیمیایی اولیه در سیاره ما ارائه می دهند. علاوه بر این، آنها کلید یک مکانیسم بیوشیمیایی را فراهم می کنند که زندگی در مکان های بسیار متخاصم، احتمالاً حتی سیارات بیگانه را ممکن می کند.