大約20年前，美國特拉華州的湯姆·漢森大學(xué)開始研究細(xì)菌Chlorobaculum硫菌(CBA。硫菌)，一個(gè)有機(jī)體，只有居住在火山溫泉，了解它是如何捕獲能量光，化學(xué)品在環(huán)境中成長。研究有機(jī)體的原因之一是Cba。tepidum是一種重新氧化硫化物的微生物，硫化物是一種對人體有毒的化合物。因?yàn)镃ba。tepidum及其親屬，我們可以住在地球的附近，其中硫化物是由其他生命形式產(chǎn)生的，如海洋。

現(xiàn)在，在美國微生物學(xué)會開放獲取期刊mBio上發(fā)表的一篇論文中，漢森和他的同事發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的生活模式，都試圖找出一種來自溫泉謀生。

硫化物作為士力架

UD的地球，海洋和環(huán)境學(xué)院海洋科學(xué)與政策學(xué)院的微生物學(xué)家Hanson說，理解微生物很重要，因?yàn)闆]有它們，人類的生命就不會存在。

“我們呼吸的一半氧氣是由海洋中的微生物產(chǎn)生的，”漢森說。“如果我們沒有微生物分解有機(jī)物質(zhì)，我們就會在數(shù)百米高的陸地上積累死亡的植物物質(zhì)。這些有機(jī)物會使碳循環(huán)保持轉(zhuǎn)動，它們會使氧氣循環(huán)保持轉(zhuǎn)動，并且我們的情況是，它們使硫循環(huán)保持轉(zhuǎn)變。“

漢森一直對從事硫磺工作的微生物特別感興趣，他們說，就像人類吸入氧氣和制造無害的水一樣，有些生物會呼吸硫磺并產(chǎn)生有毒的硫化物。

如果沒有生物再氧化硫化物，人類就無法生活在海洋附近的任何地方。對我們來說幸運(yùn)的是，像Cba這樣的生物。tepidum發(fā)現(xiàn)硫化氫味道鮮美。

“我們認(rèn)為硫化氫是腐爛的雞蛋，他們認(rèn)為士力架吧，”漢森說。

Cba的親戚。tepidum存在于切薩皮克灣附近的特拉華州水域。幸運(yùn)的是，在海灣的生活中，他們的存在是消耗他們的硫化物士力架棒，保持從切薩皮克灣的缺氧底水中出來的硫化物蓋帽，并幫助保持海灣的上部水域氧化。

低分子量硫醇

CBA。tepidum不能在氧氣存在的情況下生長，Hanson說他對這種細(xì)菌感興趣，因?yàn)樗m然像植物一樣，需要光能和二氧化碳來制造生物質(zhì)，但它卻以一種非常不同的方式。一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是，雖然植物在這個(gè)過程中使用水并制造氧氣，但Cba。tepidum使用硫化氫并制造硫酸鹽。漢森的實(shí)驗(yàn)室一直在努力發(fā)現(xiàn)Cba究竟是怎樣的。tepidum正在將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。

其他微生物學(xué)家有一個(gè)假設(shè)，即將硫化氫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽的過程將涉及一種稱為低分子量硫醇的有機(jī)化合物，這種化合物是由所有生命產(chǎn)生的。硫醇可保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，幫助它們對環(huán)境中的有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解毒。

兩個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)

漢森和他的團(tuán)隊(duì)開始調(diào)查Cba生產(chǎn)的硫醇。teepidum最終在尋找硫化氫 - 硫酸鹽轉(zhuǎn)化的可能機(jī)制方面取得了兩項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)。

首先，他們發(fā)現(xiàn)了一種由Cba制造的新硫醇。tepidum是地球上生命中分布最廣的一種。其次，他們表明，盡管他們和其他研究人員認(rèn)為，這個(gè)硫醇不直接幫助Cba。tepidum將硫化氫代謝為硫酸鹽，反駁了常見的假設(shè)。

現(xiàn)在在康寧公司工作的漢森實(shí)驗(yàn)室的前博士生詹妮弗·希拉斯(Jennifer Hiras)是一位發(fā)現(xiàn)科學(xué)史以來從未見過的低分子量硫醇的人。因?yàn)樗且环N新穎的巰基，她和漢森并不確切地知道他們發(fā)現(xiàn)了什么。

通過分解分子并觀察質(zhì)譜儀中的碎片，他們能夠說新發(fā)現(xiàn)的硫醇與一種名為bacillithiol(BSH)的硫醇共享一些碎片，這種硫醇存在于土壤細(xì)菌中。漢森說，這些土壤細(xì)菌與Cba不同。tepidum，因?yàn)槿祟悂碜韵饦?。他們可以說這個(gè)新硫醇上有額外的碳和氫原子，但不確定它們在分子上的確切位置。

對于他們來說幸運(yùn)的是，東安格利亞大學(xué)的化學(xué)家克里斯·漢密爾頓已經(jīng)閱讀了Hiras的論文，并提出了通過制造具有額外碳和氫原子的桿狀菌的版本來提供幫助。

“克里斯研究過bacillithiol，可以在試管中制備候選分子，”Hanson說。“他想出了兩個(gè)可能的新分子可能的候選者。他的實(shí)驗(yàn)室制造了它們，其中一個(gè)結(jié)果與我們在Cba.tepidum中發(fā)現(xiàn)的分子完全一樣。”

因?yàn)樗麄冎肋@個(gè)實(shí)驗(yàn)室制造的分子的結(jié)構(gòu)，該小組能夠確定Cba。tepidum通過在氮原子上放置甲基來改性桿狀醇，以制備N-甲基 - 桿菌醇(N-Me-BSH)，這是新發(fā)現(xiàn)的化合物的名稱。

孤兒酶

一旦他們發(fā)現(xiàn)了N-Me-BSH的結(jié)構(gòu)，他們就假設(shè)Cba。tepidum通過首先制備桿菌醇然后使用稱為甲基轉(zhuǎn)移酶的酶來添加甲基來實(shí)現(xiàn)。他們可以證明Cba。tepidum有基因允許它通過使用土壤細(xì)菌的基因序列來搜索Cba來制造桿狀菌。tepidum基因組。

這使他們能夠在Cba中尋找基因。編碼甲基轉(zhuǎn)移酶的tepidum，但他們不知道這些酶如何幫助Cba。tepidum grow - 被稱為孤兒酶。

“微生物基因組包含編碼大量孤兒酶的基因，”漢森說。“我的科學(xué)目標(biāo)之一是給孤兒酵素家園;我想知道這些酶如何幫助微生物在世界上謀生。”

使用兩種候選孤兒甲基轉(zhuǎn)移酶，現(xiàn)在在諾布爾研究所工作的漢森實(shí)驗(yàn)室的博士后Vidhya Raman能夠制造Cba菌株。tepidum，其中這兩種甲基轉(zhuǎn)移酶的基因已被刪除。她發(fā)現(xiàn)一個(gè)孤兒菌株不再生產(chǎn)N-Me-BSH，而只生產(chǎn)BSH。她還刪除了bacillithiol合成的基因，并顯示這些菌株不再產(chǎn)生N-Me-BSH或BSH。

通過分析這些菌株，Hanson的研究小組表明，在硫代謝過程中使用低分子量硫醇來攜帶硫原子的假設(shè)是錯(cuò)誤的。相反，不能制造硫醇的菌株仍然能夠?qū)⒘蚧瘹渫耆x為硫酸鹽。

“在Cba.tepidum工作，這是一種只存在于火山溫泉中的有機(jī)體，我們發(fā)現(xiàn)了這種新分子，可以準(zhǔn)確地說出允許微生物制造它所需的基因，”漢森說。

利用這些新信息，他們能夠使用基因序列來預(yù)測不同生物體所產(chǎn)生的硫醇。與羅格斯大學(xué)的博士生Javiera Norambuena合作，他們在其他細(xì)菌中測試了這些預(yù)測并證明它們是準(zhǔn)確的。

他們的研究表明，桿狀菌和相關(guān)分子如N-Me-bacillithiol在所有生命形式中更為廣泛，似乎是生物學(xué)中分布最廣的低分子量硫醇。

“我們的人體細(xì)胞使用一種名為谷胱甘肽的硫醇。谷胱甘肽因其在人類和植物中受到很多關(guān)注，但事實(shí)證明我們的分析表明谷胱甘肽在整個(gè)生命中的普遍性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他硫醇， “漢森說。“這表明生物學(xué)和進(jìn)化如何產(chǎn)生不同的途徑：保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激和有毒化學(xué)物質(zhì)的硫醇。在這種情況下，人類和植物的解決方案不是唯一的，甚至是最常見的“。