康斯坦茨生物学家发现了一种既新又古老的基于磷的细菌代谢。它的发现故事讲述了20世纪80年代的计算、一座污水处理厂、一种新的细菌有机体以及大约25亿年前的遗迹。
我们的叙述从20世纪80年代末开始，从一张纸开始。在这张纸上，一位科学家计算出，化合物亚磷酸盐转化为磷酸盐会释放足够的能量来产生细胞的能量载体——ATP分子。因此，通过这种方式，微生物应该可以为自身提供能量。与我们星球上的大多数生物体不同，这种生物体不依赖于光或有机物分解的能量供应。
科学家实际上成功地从环境中分离出了这种微生物。正如计算所预测的那样，其能量代谢是基于亚磷酸盐氧化为磷酸盐。但生化机制到底是如何运作的呢?
遗憾的是，理解这一过程背后的生物化学所需的关键酶仍然隐藏着，因此这个谜团多年来仍未解开。在接下来的三十年里，这张纸一直被放在抽屉里，研究方法被搁置一旁。然而这位科学家却无法将这个想法从他的脑海中抹去。
这位科学家是康斯坦茨大学湖沼学研究所教授伯恩哈德·辛克(BernhardSchink)。在他在纸上进行计算三十年后，一个意想不到的发现让事情再次开始。
污水厂、意外发现和新物种
他多年来一直在脑海中思考的东西终于在康斯坦茨的一家污水处理厂找到了，距离申克的实验室只有几公里。来自康斯坦茨的生物学博士研究员毛竹清检查了污水污泥样本，发现了第二种微生物，它也从亚磷酸盐中获取能量。辛克领导的康斯坦茨生物学家将这种细菌放置在只有亚磷酸盐作为食物来源的环境中。事实上，细菌数量增长了。
“这种细菌依靠亚磷酸盐氧化生存，据我们所知，完全依靠这种反应。它以这种方式进行能量代谢，同时可以利用CO2来构建其细胞物质，”Schink解释道。“这种细菌是一种自养生物，就像植物一样。然而，它不像植物那样需要光，因为它从亚磷酸盐氧化中获取能量。”令人惊讶的是，事实证明，这种细菌不仅是一个新物种，而且实际上形成了一个全新的细菌属。
追踪分子机制
从那时起，事情发生得很快。康斯坦茨的整个研究人员网络致力于解开这个谜团，其中包括Schink、NicolaiMüller、DavidSchleheck、JenniferFleming和OlgaMayans。他们生产了这种新菌株的纯培养物，最终能够识别出触发亚磷酸盐氧化为磷酸盐的关键酶。
“突破来自NicolaiMüller和他的酶实验，”DavidSchleheck说。NicolaiMüller成功地清楚地展示了该酶的活性，从而揭示了关键酶背后的生化机制。OlgaMayans和JenniferFleming创建了其酶结构和活性中心的三维模型，以了解反应途径。
“非常令人惊讶的是，在氧化过程中，亚磷酸盐显然直接与能量载体前体AMP偶联，从而产生了能量载体ADP。在随后的反应中，两个生成的ADP转化为一个ATP，在此基础上有机体最终会生存，”尼古拉·穆勒概述了反应途径。
最后，一切都汇集到了一起：原始的纸张变成了堆论文，最终发表在《美国国家科学院院刊》上。
25亿年前的遗迹
新型能量代谢的发现本身就是一项伟大的科学成功。然而，研究小组认为，这种类型的新陈代谢绝不是新的，而是非常古老的，甚至是古老的：大约有25亿年的历史。
“据推测，在进化的早期，当地球冷却时，磷在很大程度上仍然以部分还原的形式存在，只是后来逐渐被氧化。我们现在发现的新陈代谢非常适合微生物进化的早期阶段，”辛克解释道。
因此，细菌用于新陈代谢的生化机制并不新鲜，但很可能从我们星球的原始时代就被保留下来：当我们星球上的生命开始时，第一批微生物必须以亚磷酸盐等无机化合物为食。因此，新的科学发现为我们星球的早期生化进化提供了线索。此外，它们还提供了生化机制的关键，使生命在非常恶劣的地方，甚至可能在外星球上成为可能。
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