2021年全国两会期间,政府工作报告中提到的“碳达峰”“碳中和”成为热词。CO2作为其中的主人翁,减少其排放量一直是老大难的问题。
在当前的地球生命系统中,几乎所有的生命在进食食物后,细胞通过称为三羧酸(TCA)循环的途径将食物中所含的糖,脂肪和蛋白质转化为能量和CO2。这个过程被叫做Krebs的科学家发现,因此也叫做Krebs循环。Krebs因此项贡献在1953年获得诺贝尔生理学或医学奖。今日,德国明斯特大学Ivan A. Berg等人却有幸发现一个例外。研究人员发现一种名为Hippea maritima的细菌可以沿相反方向运行此循环。该细菌改变了该循环方向,将TCA循环向后运行,以产生反向的氧化TCA循环(图1)。Hippea maritima细菌不需要氧气,其秘诀是以一种意想不到的方式调节关键酶的水平,以便在遇到高浓度的CO2之前就可以吸收它们,直接将CO2和H2结合在一起形成诸如氨基酸、糖和脂质分子,靠此反应提供的能量茁壮成长。研究人员用标记有13C碳同位素的CO2喂食Hippea maritima细菌,追踪生长细胞中该途径的中间分子13C的积累,来揭示了Hippea maritima细菌逆向运行TCA循环的机制。研究发现,在CO2供应充足的情况下,Hippea maritima细菌优先使用CO 2作为碳源。为了使TCA循环在高浓度CO2的作用下向后运行,该细菌的细胞具有大量的柠檬酸合酶。高浓度的柠檬酸合酶使其更易于生成乙酰辅酶A(acetyl-CoA)分子,该分子通过形成丙酮酸(Pyruvate)而退出反向的TCA循环氧化,丙酮酸转变为脂质(lipids ),糖(sugars)和氨基酸(amino acids)(图1)。反过来,这将导致CO2进入循环。通过这种方式,环境汇总高浓度的CO2水平推动了CO2转化为acetyl‑CoA的循环。这项研究这不仅提供了令人着迷的微生物生态学实例,更重要的是,该研究的发现与地球上第一个微生物在当时所处的环境中具有相似的生长策略,这提供了进入古代历史的窗口。借此我们可以发现一些关于最古老微生物祖先的生命和时代的线索。Steffens, L., Pettinato, E., Steiner, T.M. et al. High CO2 levels drive the TCA cycle backwards towards autotrophy. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03456-9华算科技专注理论计算模拟服务,具有超强的技术实力和专业性。是同时拥有VASP、Materials Studio、Gaussian商业版权及其计算服务资质和海外高层次全职技术团队的正规机构!