解锁古代力量：科学家发现 25 亿年前的细菌能源

来自康斯坦茨的生物学家揭示了一种独特而古老的基于磷的细菌代谢。这一发现的核心是四个要素：可追溯到 1980 年代的分析计算、现代污水处理设施、新型细菌物种的鉴定以及大约 25 亿年前的残余物。

我们的故事始于 1980 年代末，从一张纸开始。在这张纸上，一位科学家计算出，将化合物亚磷酸盐转化为磷酸盐将释放出足够的能量来产生细胞的能量载体——ATP分子。因此，通过这种方式，微生物应该能够为自己提供能量。与我们星球上的大多数生物体不同，这种生物体不依赖于光或有机物分解的能量供应。

这位科学家实际上成功地将这种微生物从环境中分离出来。它的能量代谢是基于亚磷酸盐氧化成磷酸盐，正如计算所预测的那样。但是生化机制究竟是如何工作的呢？遗憾的是，了解该过程背后的生物化学所需的关键酶仍然隐藏起来，因此这个谜团多年来一直未解开。在接下来的三十年里，这张纸一直留在抽屉里，研究方法被搁置一旁。然而，这位科学家无法从他的脑海中摆脱这个想法。

这位科学家是康斯坦茨大学湖沼研究所的教授伯恩哈德·辛克（Bernhard Schink）。在他在纸上进行计算三十年后，一个意想不到的发现再次启动了……

污水处理厂，意想不到的发现，以及一个新物种

他多年来一直在脑海中寻找的东西终于找到了：在所有地方，在康斯坦茨的一家污水处理厂里，距离伯恩哈德·辛克的实验室只有几公里。来自康斯坦茨的生物学博士研究员毛竹青检查了污水污泥样本，发现了第二种微生物，这种微生物也从亚磷酸盐中获取能量。由伯恩哈德·辛克（Bernhard Schink）领导的康斯坦茨生物学家将这种细菌置于仅以亚磷酸盐为食物来源的环境中。事实上：细菌种群在增长。

“这种细菌以亚磷酸盐氧化为生，据我们所知，完全存在于这种反应中。它以这种方式覆盖其能量代谢，并可以同时从CO₂中建立其细胞物质，“Schink解释道。“这种细菌是一种自养生物，就像植物一样。然而，它不像植物那样需要光，因为它从亚磷酸盐氧化中汲取能量。令人惊讶的是，事实证明，这种细菌不仅是一个新物种，而且实际上形成了一个全新的细菌属。

追踪分子机制

从那时起，事情发生得非常快。康斯坦茨研究人员的整个网络致力于解开这个谜团，包括伯恩哈德·辛克、尼古拉·穆勒、大卫·施莱赫克、詹妮弗·弗莱明和奥尔加·玛雅人。他们生产了这种新细菌菌株的纯培养物，最终能够鉴定出触发亚磷酸盐氧化为磷酸盐的关键酶。

“Nicolai Müller和他的酶实验取得了突破，”David Schleheck说。Nicolai Müller成功地清楚地证明了这种酶的活性，从而揭示了关键酶背后的生化机制。奥尔加·玛雅斯（Olga Mayans）和詹妮弗·弗莱明（Jennifer Fleming）创建了其酶结构和活性中心的三维模型，以了解反应途径。

“非常令人惊讶的是，在氧化过程中，亚磷酸盐显然直接与能量载体前体AMP偶联，从而产生了能量载体ADP。在随后的反应中，产生的两个ADP被转化为一个ATP，生物体最终赖以生存，“Nicolai Müller概述了反应途径。

最后，一切都走到了一起：原来的纸张变成了一大堆论文，结果在科学期刊PNAS上发表了一篇论文。

25亿年前的遗迹

一种新型能量代谢的发现本身就是一个巨大的科学成功。然而，研究小组认为，这种类型的新陈代谢绝不是新的，而是非常古老的，甚至是古老的：大约有25亿年的历史。

“据推测，在进化的早期，当地球降温时，磷在很大程度上仍然以部分还原的形式存在，只是后来才逐渐被氧化。我们现在发现的新陈代谢非常适合微生物进化的早期阶段，“Bernhard Schink解释说。

因此，细菌用于新陈代谢的生化机制并不新鲜，但很可能从我们星球的原始时代就被保存下来：当我们星球上的生命开始的时候，第一批微生物不得不以亚磷酸盐等无机化合物为食。因此，新的科学发现为我们星球上的早期生化进化提供了线索。此外，它们还为生化机制提供了关键，这种机制使生命在非常恶劣的地方成为可能，甚至可能在外星球上。