Ontdekking van een 2,5 miljard jaar oude bacteriële ‘energiebron’

Onderzoekers hebben een nieuw geslacht bacteriën ontdekt waarvan het energiemetabolisme uitsluitend afhankelijk is van de oxidatie van fosfaat tot fosfaat. In tegenstelling tot de meeste levende organismen is hun energievoorziening niet afhankelijk van licht of de afbraak van organisch materiaal. Er wordt aangenomen dat het een proces is dat meer dan 2,5 miljard jaar geleden begon en mogelijk het resultaat is van een van de eerste biochemische ontwikkelingen van de oudste levensvormen op aarde.

Fosfor vertegenwoordigt ongeveer 0,09% van de totale massa van de aardkorst en is een essentieel element in de stofwisseling van alle levende organismen op aarde. Vanwege zijn hoge reactiviteit wordt het in de natuur nooit in zijn elementaire vorm aangetroffen, maar in de vorm van verbindingen, zoals anorganische fosfaten, fosfieten, hypofosfaten en fosfine, evenals fosfaatesters en fosfaten.

Tot de meest stabiele fosforverbindingen behoren fosfaten, essentiële componenten die vooral in DNA voorkomen, adenosinetrifosfaat (of ATP, de belangrijkste energiebron voor de meeste cellulaire functies), fosfolipiden (samenstelling van celmembranen), enz.

Er is gesuggereerd dat de omzetting (via oxidatie) van fosfaat in fosfaat kan dienen als energiebron voor sommige micro-organismen. Dit proces maakt het mogelijk om alleen energie te verkrijgen in de aanwezigheid van fosfiet en zonder de noodzaak van licht (zoals fotosynthetische organismen) of de afbraak van organisch materiaal.

Hoewel deze hypothese in de jaren tachtig werd voorgesteld, ontbrak er echter een belangrijk element om het precieze biochemische mechanisme te begrijpen: het enzym dat nodig is voor de reactie. De recente ontdekking van anaërobe bacteriën die hun energie ontlenen aan fosfiet lijkt deze hypothese echter alleen maar te bevestigen. Een team van de Universiteit van Konstanz (in Duitsland) kon deze micro-organismen isoleren om hun energiemetabolisme verder te bestuderen. Hun resultaten zijn beschikbaar op het platform Met mensen Uiteindelijk werd het beroemde enzym ontdekt dat nodig is voor dit proces.

Bacteriën voeden zich alleen met fosfaat

Fosfiet wordt op natuurlijke wijze gevormd door bliksem en vulkaanuitbarstingen en wordt op lage niveaus aangetroffen in natuurlijke aquatische ecosystemen en afvalwaterzuiveringsinstallaties. De oxidatie ervan door levende organismen werd voor het eerst waargenomen in Desulfotigenum fosfitoxydan, Strikt anaerobe bacteriën aangetroffen in mariene sedimenten. Deze bacteriën oxideren fosfaat aanzienlijk tot fosfaat door de gelijktijdige reductie van sulfaat tot sulfide, of door de reductie van kooldioxide tot acetaat (homolytische bacteriën).

Later ontdekte een team van de Universiteit van Konstanz een andere soort: Fosfytespora fastidiosa — Daarnaast haalt het zijn energie uit fosfaat en wordt het geïsoleerd uit het slib van rioolwaterzuiveringsinstallaties. Toen het werd gekweekt in een omgeving die alleen fosfiet als voedselbron bevatte (d.w.z. geen zuurstof, geen licht en geen organisch materiaal), vermenigvuldigde het zich.

” Deze bacteriën overleven dankzij de oxidatie van fosfiet en, voor zover wij weten, uitsluitend dankzij deze reactie », legt uit in A Ik heb gerapporteerd Van de Universiteit van Konstanz, de hoofdauteur van de studie, Bernhard Schenk. ” Het dekt zo zijn eigen energiemetabolisme af en kan tegelijkertijd zijn celstof opbouwen uit koolstofdioxide “, voegt hij eraan toe. Net als planten zullen deze organismen autotrofen zijn, die in staat zijn organisch materiaal uit mineralen te produceren. Aan de andere kant hebben ze, in tegenstelling tot de eerste twee, geen licht nodig.

Door de mechanismen te observeren die het oxidatieproces beheersen, ontdekten experts dat het werd gekatalyseerd door een enzym genaamd AMP-afhankelijke fosfaatdehydrogenase (ApdA) – dat ook is aangetroffen in Dr.. Fosfytoxydan.
” Wat zeer verrassend is, is dat fosfiet bij oxidatie rechtstreeks lijkt te paren met de AMP-voorloper, waardoor het ADP-ergone ontstaat. “, legt Nikolai Müller uit, tevens co-auteur van het onderzoek.

Door 3D-modellering van de structuur en het activeringscentrum uit te voeren, werd specifiek ontdekt dat het enzym de oxidatie van fosfaat in de aanwezigheid van adenosinemonofosfaat (AMP) katalyseert om adenosinedifosfaat (ADP) te vormen. In een volgende reactie worden twee gegenereerde ADP's omgezet in één ATP.

Een proces dat teruggaat tot de vroege aarde

Volgens deskundigen gaat het niet alleen om een ​​nieuw type bacterie, maar behoort het ook tot een geslacht dat nog niet eerder is waargenomen. De onderzoeksresultaten onthullen met name een fosforyleringsreactie die uitsluitend afhankelijk is van fosfiet, wat ongebruikelijk is voor het organisme.

Bovendien wordt gesuggereerd dat het een primitief biochemisch mechanisme is dat mogelijk teruggaat tot de Archeïsche periode, ongeveer 2,5 miljard jaar geleden. Dit is de periode waarin de aarde net begon af te koelen en fosfiet nog steeds overvloedig aanwezig was in de aardkorst (die op dat moment minder geoxideerd was). Dit suggereert dat fosfiet mogelijk een belangrijke rol heeft gespeeld in de evolutie van vroege levensvormen, die alleen anorganische verbindingen als energiebron hadden.

” Het metabolische proces dat we zojuist hebben ontdekt, past goed bij het vroege ontwikkelingsstadium van micro-organismen », schat Schenk. Dit proces, dat bijzonder geschikt is voor extreem vijandige omgevingen, zou ook aanwijzingen kunnen opleveren over het mogelijke bestaan ​​van leven op andere planeten.

bron : Met mensen