在这些微生物中 铁的作用就像氧气一样

作者:教育

  来自威斯康星大学麦迪逊分校地球科学实验室的一对论文揭示了一组奇怪的细菌,这些细菌使用铁的方式与动物使用氧气的方式非常相似:在生化反应过程中吸收电子。当有机体 - 无论是细菌还是动物 - 氧化碳水化合物时,电子必须到达某个地方。

  UW-Madison地球科学教授埃里克罗登说,这些研究可以揭示生命如何产生的长期问题,但它们在寻找太空生命方面也有一些更实际的应用。动物使用氧气并“减少”它以产生水,但是一些细菌使用缺乏电子的铁,将其还原为更富电子形式的元素。具有讽刺意味的是,富电子形式的铁也可以在相反的“氧化”反应中提供电子,其中细菌从字面上“吃掉”铁以获得能量。

  铁是地球上第四丰富的元素,由于自由氧在水下和地下稀缺,细菌已“思考”或进化出一种不同的解决方案:将电子转化为铁,同时代谢有机物质。

  罗登说,这些细菌“像我们一样吃有机物”。“我们将电子从有机物质转移到氧气。这些细菌中的一些使用氧化铁作为电子受体。另一方面,其他一些微生物接受其他铁化合物捐赠的电子。在这两种情况下,电子转移对它们的能量至关重要。循环“。无论反应是氧化还是还原,移动电子的能力对于细菌处理能量以促进其生活方式至关重要。

  罗登花了数十年时间研究铁代谢细菌。“我专注于自然系统中微生物的活动和化学处理,”他说。“我们从环境中收集材料,将其带回实验室,并通过一系列地球化学和微生物测量来研究新陈代谢。”

  目前的研究主要集中在巧克力锅温泉的细菌样本,这是黄石国家公园中一个相对凉爽的地热温泉,以深红褐色的氧化铁为名。相关研究涉及从一个不那么吉祥的环境中获得的文化 - 德国的一个沟渠。这两项研究都是在线,应用与环境微生物学和地球生物学。

  在研究期间,Roden和博士生Nathan Fortney以及研究科学家Shaomei He探讨了培养生物如何改变氧化态 - 铁化合物中的电子数量。他们还在威斯康星大学麦迪逊分校生物技术中心使用先进的基因组测序仪器来识别基因组中的DNA串。“在纯培养中不能获得超过99%的微生物多样性,”He说,这意味着它们不能作为单一菌株进行分析。“我们不是经历漫长,费力且经常不成功的分离菌株的过程,而是应用基因组工具来了解生物体在混合群落中的表现。”

  研究人员发现了一些能够代谢铁的未知细菌,并且还获得了一些具有独特能力的遗传数据,其中一些具有:在两个方向上传输电子穿过细胞外膜的能力。“细菌不仅进化了能够开辟利基以利用铁作为能量的新陈代谢,”He说,“但这些新的电子传递机制使他们有办法使用不能带入细胞内的铁。”

  “这些是基础研究,但这些化学转化是各种环境系统的核心,与土壤,沉积物,地下水和废水有关,”罗登说。“例如,能源部有兴趣找到一种通过铁代谢细菌的活动从有机物中获取能量的方法。” 这些细菌对于将岩石风化到土壤中的生命过程也是至关重要的。

  罗登说,铁代谢细菌已有一个世纪的历史,实际上是在麦迪逊地区的地下水中发现的。“地质学家看到有机体形成了这些在光学显微镜下可见的独特结构。它们形成了茎或鞘,原来它们被用来移动铁。”

  罗登和他是地质生物学家,他们对微生物如何影响地质感兴趣,但是现在只有充分认识到微生物在地球进化中的重要性,Roden说。“当我们三四年前联系生物技术中心讨论测序时,眉毛上升了:这些人来自地质学,他们在谈论什么? 但我们坚持使用它,它变成了一种非常酷的合作,使我们能够应用他们的优秀工具,这些工具更常用于生物医学和相关的微生物问题。“

  罗登说,一些铁代谢细菌出现在生命之树的早期阶段,这使得这些研究与发现生命的起源相关,但这些研究结果也对寻找生命在太空中的生命产生了影响。“我们的支持来自美国宇航局在威斯康星大学麦迪逊分校的天体生物学研究所。在像火星这样的岩石星球上,生命可能依赖于铁代谢而不是氧气。

  “天体生物学的一个基本方法是使用地面站点作为类似物,在那里我们寻找洞察其他世界的可能性,”罗登继续说道。“有些人认为使用氧化铁作为电子受体可能是地球上第一个或最先形成的呼吸形式之一。而在岩石行星周围有很多铁。”

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