明斯特大学 莉迪亚·斯特芬斯和尤金尼奥·佩蒂纳托(明斯特大学，左)和托马斯·M
实验室里的施泰纳(TUM，右)；这三名博士生分享了《自然》杂志的第一作者身份
中间是一个培养细菌的发酵罐系统
信用信息
V
由蒙斯特大学的伊万·伯格教授和沃尔夫冈·艾森里奇教授领导的研究人员报告了对柠檬酸循环的新见解:某些细菌可以“反向”利用这一中心代谢途径，但要做到这一点，它们必须具有非常高浓度的柠檬酸合酶和二氧化碳
这条道路可能是生命早期发展的遗迹
柠檬酸循环是一个重要的代谢途径，通过将有机化合物降解为二氧化碳(CO2)，使活生物体产生能量
循环的第一步通常由柠檬酸合成酶完成，它产生柠檬酸
但是在缺氧的情况下(在厌氧条件下)，一些细菌可以进行相反的循环:它们可以从二氧化碳中积累生物量
在这个所谓的反柠檬酸循环中，柠檬酸合酶被三磷酸腺苷-柠檬酸裂解酶取代，该酶消耗细胞的通用能量载体三磷酸腺苷来裂解而不是形成柠檬酸
然而，几年前，由伊万·伯格(明斯特大学)和沃尔夫冈·艾森里奇(慕尼黑工业大学)领导的研究小组发现，一些厌氧菌可以不用消耗ATP，而是用柠檬酸合酶本身来催化柠檬酸裂解，而不需要ATP
现在，同一个团队发现，使用这种代谢途径(通过柠檬酸合酶逆转柠檬酸循环)的细菌依赖于非常高浓度的酶和二氧化碳
相比之下，空气中的CO2浓度约为0
04%，但是使用这种途径的细菌需要至少100倍于它们的生长
研究人员假设，这种依赖于CO2浓度的途径可能在原始地球上广泛存在，因为当时CO2浓度很高
因此，这种代谢途径可能是早期生命的遗迹
这项研究的结果已经发表在《自然》杂志上
研究小组研究了厌氧细菌海洋朱顶红和醋杆菌
这些生物生活在没有氧气的温泉里，那里的二氧化碳浓度高达90%甚至更高
“可以想象，许多其他生物利用这个循环来结合二氧化碳，”伊万·伯格说
“我们的发现与最近几项研究的结果一致，这些研究强调了这种逆向氧化柠檬酸循环的潜在广泛发生
" 然而，许多细菌利用能量效率较低的三磷酸腺苷依赖性反应来切割柠檬酸盐
“如果通过柠檬酸合成酶的反向反应，一种能量上便宜得多的替代方法是可行的，那么为什么会存在这种‘昂贵’的途径，这就很神秘了
现在我们知道这是由于许多环境中的低CO2浓度
沃尔夫冈·艾森里奇说:“廉价的替代品在那里行不通。”
这些发现也可能会引起生物技术的兴趣
有了自养生物利用这种“逆向循环”依赖于CO2浓度的知识，科学家可以应用它来更有效地将底物转化为增值产品
详细的结果 科学家们想知道是什么因素决定了柠檬酸循环在细菌中是“向前”还是“向后”
在不同的条件下培养细菌，他们注意到这些生物的生长高度依赖于气相中的CO2浓度
具体来说，需要高浓度的CO2才能使另一种重要的酶丙酮酸合酶发挥作用
这种酶负责组装乙酰辅酶a(乙酰辅酶a)，这是“反向循环”的产物
" 高CO2浓度驱动丙酮酸合成酶反应向羧化方向进行，并使整个循环反向，使CO2转化为生物质
所研究的海洋朱顶红和脱硫朱顶红在20%和40% CO2的气相中能够很好地生长，但在5% CO2时只能适度生长，在2%或1% CO2时不可能生长
作为对照，科学家们研究了另一种自养细菌嗜氢脱硫杆菌，它使用能量更昂贵的反柠檬酸循环的三磷酸腺苷-柠檬酸裂解酶版本
这种细菌的生长不受二氧化碳浓度的影响
利用柠檬酸合酶进行柠檬酸裂解的“反向循环”不能用生物信息学方法预测，因为它不具有关键酶，这些酶的存在可以作为该途径功能的标志
因此，作为生物信息学分析的一个识别特征，科学家们使用了在这些细菌的蛋白质混合物中检测到的高水平的柠檬酸合酶
使用一种特殊的分析工具，研究人员能够预测单个蛋白质的生产水平
有了这个技巧，就有可能预测许多厌氧菌无机碳固定的“逆向循环”的功能
科学家还表明，从氧化方向(“正向”)向还原方向(“反向”)转换不需要基因调控
伊万·伯格说:“这意味着细胞可以对环境中的碳源做出非常迅速的反应。”
“如果二氧化碳的浓度很高，他们要么使用还原方向来固定二氧化碳，要么使用氧化方向，如果有其他碳源的话
" 方法说明 研究中使用的方法是质谱和13C同位素分析、酶测量、蛋白质定量以及使用色谱和光谱方法(液相色谱/质谱或气相色谱/质谱)的培养基和氨基酸分析
通过生物信息学方法，他们检测了某些核苷酸碱基组合(密码子)的出现，以预测单个蛋白质的产量
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