Eşzamanlı aerobik-anerobik solunum: Çamurdan mikrobiyal bir masal

Her şey çamurda başladı

Elektromikrobiyoloji ve mikrobiyal elektrik araştırma grupları, tortularda, özellikle esrarengiz kablo bakterilerindeki mikrobiyal elektrikten uzun zamandır büyülenmiştir. Bu garip filamentli mikroplar sucul tortularda yaşar ve sülfür açısından zengin derin tortu ile oksijenli yüzey tabakası arasında santimetre mesafelerde elektronlar iletir. Mikroskop altında kablo bakterilerini gözlemleyerek, yanlarında kalabalık olan diğer bakterilerin yoğun kümelerini – veya “sürüleri” fark ettik. Merak etmeye başladık: Bu akrabalı mikroplar kablo bakterileri ile etkileşime girebilir mi? Onlar da elektroaktif olabilir mi? Mücadeleyi üstlendik ve bir yan proje doğdu.

İlginç bir sarı koloni

Jamie, kablo bakterileri içeren sedimanların oksik -anoksik arayüzünden birkaç koloniyi izole etti. Kartik onları elektroaktivite için taradı ve bir sarı koloni göze çarpıyordu: daha sonra adlandırdığımız gram pozitif bir bakteri Microbacterium Deferre A1-JK^T. Redoks karmaşıklığı ile bilinen mikro ölçekli bir ortam olan oksik-anoksik arayüzden kaynaklanmıştır. Burada, difüzyon ve hızlı mikrobiyal solunum nedeniyle oksijen seviyeleri dalgalanır ve demir sürekli olarak oksitlenir, bu da dinamik bir potansiyel elektron alıcı aralığı sunar.

Daha sonra, klasik elektrokimyasal iş istasyonu (ve yol boyunca birkaç elektrot kırmak) ile Kartik'in elektromikrobiyolojik çalışmaları nihayet bizi yollarımızda durduran bir sonuç elde etti: M. Deferre A1-JK^T Bir elektrot kullanarak solunabilir, flavinleri redoks servisleri olarak salgılar. Farklı pH seviyelerinde elektroaktiviteyi bile korudu.

Bu fizyolojinin doğal yaşam alanlarına ne kadar iyi uyduğundan özellikle etkilendik. M. Deferre A1-JK^T izole edildi. Kablo bakterileri ile kolonileştirilen tortularda, elektronların santimetre mesafelerde aktif olarak taşınan kablo bakterileri nedeniyle oksijen ve pH'da hızlı kaymalar meydana gelir. Burada hayatta kalmak için, bir mikrop değişen koşullara kolayca uyum sağlamalı ve aerobik ve anaerobik solunum modları arasında geçiş yapabilmelidir. M. Deferre A1-JK^T tam da bunu yapıyor gibi görünüyordu.

Atılımımızı veren bir bağırsak hissi

Sonuçlarımızı derlerken, Kartik'in bağırsak hissi vardı: Ya M. Deferre A1-JK^T Her ikisi de doğal yaşam alanında dalgalanan Fe (III) ve oksijende aynı anda solunabilir mi? Fikri tartıştıktan sonra, bu olasılığı test etmek için bir takip deneyi tasarladık. Deneysel tasarımın kendisi oldukça basitti. Asılı bir tüpte aşılandık M. Deferre A1-JK^T ve elektron alıcıları olarak çözünür demir ve oksijen sağladı. Bir oksijen spot sensörü ile oksijen tüketimini ölçtük, demir azaltmayı tahmin etmek için ferrozin deneyi yapıldı. Sonuç hepimizi şaşırttı: oksijen seviyeleri düştü ve Fe (II) seviyeleri yükseldi – sinzamanlı olarak (Şekil 1). Gerçekten doğruydu – demir azaltma ve oksijen solunumu birlikte meydana geliyordu! Sonuç gerçek olamayacak kadar olağanüstü görünüyordu, bu yüzden deneyi tekrarladık, tüm kontrolleri yeniden kontrol ettik ve doğruladık: Aerobik ve anaerobik solunum aynı anda meydana geliyordu. Biyofilmlerden kaçınmak için kültürü karıştırdığımızdan, aktivite planktonik hücrelerden geldi – bunun tek hücreli seviyede olduğunu düşündürdü.

Beklenmedik EET Insights

Bir başka sürpriz, hücre dışı elektron transferi (EET) mekanizmasından geldi. Kanonik flavin bazlı EET (filo) genlerinden yoksun olmasına rağmen-ppla– EETA– EETB–M. Deferre A1-JK^T Riboflavin Redoks servis olarak salgılanan. Genomik analiz hibrit bir EET sistemine işaret etti: Flavin redüktaz Fmna ve sitokrom FCCAtam bir flavin biyosentez yolunun yanı sıra (Ribbade1e2). Bu sistem, oksik-anoksik arayüzde dalgalanan redoks koşullarında metabolik esneklik için mükemmel görünüyordu.

İyi arkadaşlar, iyi araştırma

Bu proje üzerinde çalışmak bilimsel olarak zenginleştirici ve kişisel olarak ödüllendiriciydi, arkadaşlarını bir araya getirdi. Elektrokimya, mikrobiyoloji, genomik-ve daha da önemlisi, tamamen yüklü olmayan erken kariyer araştırmacılarından oluşan güzel bir ekip-çeşitli uzmanlığı bir araya getirdi. Jamie'nin genomik sleuthing hibrid EET sistemini ortaya çıkarmaya yardımcı oldu; Leonid elektrokimyasal çalışmaya hassasiyet getirdi; Ve bir lisans öğrencisi olan Naja, hızlı hareket etmemize yardımcı olan taze enerji ve kritik laboratuvar yardımı ekledi.

Takım çabasının ötesinde, bu keşfin daha geniş etkileri var. Yeteneği M. Deferre A1-JK^T Eşzamanlı oksijen ve demir azaltma gerçekleştirmek, dinamik ortamlarda muhtemelen seçici bir avantaj sağlayan alışılmadık bir metabolik esneklik ortaya çıkar. EET için, anaerobik solunumu destekleme geleneksel olarak anlaşılmış işlevinin ötesinde bir rol önermektedir. Bu durumda EET, aerobik solunum için fazla elektronları boşaltmak için bir mekanizma görevi görebilir ve muhtemelen dalgalanan oksijen ve demir koşulları altında hücre içi redoks stresini önler.

Bu bulgular ayrıca mikrobiyal metbolizmin erken evrimi hakkında ilginç sorular ortaya koymaktadır. Eşzamanlı aerobik ve anaerobik solunum mekanizmaları, Dünya atmosferinin büyük oksidasyon olayı sırasında oksijenin yeni başlamaya başladığı zamana kadar eski köklere sahip olabilir mi? Nihayetinde, bu çalışma bazı mikropların sadece metabolik modlar arasında “geçiş yapmadığını” göstermektedir.

Bazen, paradigma değiştiren keşifler büyük bir proje ile değil, başka bir hikayeyi kovalarken bir önsezi, yan soru veya beklenmedik bir gözlemle başlar. Bu kablo bakterileri ve hevesli arkadaşlarla başladı. Mikrobiyal solunum hakkında nasıl düşündüğümüzü zorlayan ilginç bir sarı koloni ile sona erdi ve doğanın hala birçok sürpriz olduğunu hatırlatıyor.