哈佛大学科学家揭示巨型深海管虫的独特生存策略

巨型热液喷口管虫Riftia pachyptila生活在东太平洋隆起带严酷的深海环境中，阳光无法穿透，周围环境以极端的温度、令人头骨碎裂的压力和有毒化合物而闻名。Riftia长到 6 英尺高，有着深红色的羽状体，它没有消化系统，而是靠与生活在其身体深处的细菌建立共生关系来繁衍生息。这些数以亿计的细菌将二氧化碳固定为糖，以维持自身和管虫的生存。

对深海巨型管虫 Riftia pachyptila的研究表明，它的共生细菌如何利用两种碳固定途径来适应深海条件，这表明生物技术在碳捕获方面具有应用潜力。

大多数自养型生物通过单一的碳固定途径维持自身的生命，而Riftia 的化能自养型内生共生体却拥有两条功能性碳固定途径：卡尔文-本森-巴塞尔循环（CBB）和还原性三羧酸循环（rTCA）。科学家们对这些途径的许多情况一直很不了解，对它们的活动以及与其他代谢过程的整合了解有限。

哈佛大学有机与进化生物学系的研究人员对这两种途径的协调有了新的认识，揭示了使这些共生体在恶劣的热液喷口条件下茁壮成长的复杂适应性。

在最近发表在《自然-微生物学》（Nature Microbiology）上的研究中，研究人员从东太平洋海隆收集了管圆线虫，以研究这两种功能途径的调节和协调。通过在模拟自然环境的条件下（包括3000 PSI压力和近乎有毒的硫水平）培养管圆线虫，研究人员能够测量净碳固定率并检查转录和新陈代谢反应。

"这篇论文确实是一次从研究活生物体、测量其代谢率，到直接将其与转录本联系起来的巡回演唱会，这种方式使研究小组能够表明，这些途径很可能是并行运行的，"资深合著者、有机与进化生物学教授彼得-吉吉斯（Peter Girguis）说。"这篇论文表明，双重途径受到环境条件的影响，在这两种途径的周围还有其他代谢系统。"

这项研究由 Girguis 实验室的成员进行，包括 Mitchell 和 Jennifer Delaney，以及哈佛信息学小组的 Adam Freedman。

碳固定是将二氧化碳转化为糖的过程，也是维持生物圈运转的主要过程。根据环境（包括可用的能量和碳源）的不同，生物进化出了不同的新陈代谢策略。光合生物（如植物）利用阳光提供能量，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。在阳光照射不到的深海中，火山过热的海水通过热液喷口喷涌而出，Riftia pachyptila 的化能自养共生体利用硫化氢的能量固定碳，为蠕虫的新陈代谢和生长提供燃料。通过仔细改变Riftia 的实验条件，研究小组得以确定化学环境的变化如何影响其两种碳途径的协调。

第一作者、博士后学者杰西卡-米切尔（Jessica Mitchell）说："这是对具有两种碳固定途径（rTCA 和 CBB）的细菌进行的最深入的分析。这也是对热液喷口共生进行的首次网络分析，也是对双碳固定途径系统进行的首次网络分析"。

通过网络分析，研究小组发现了基因表达数据中的模式，并提供了该系统的全貌。分析确定了在维持和调节细胞内复杂的代谢反应网络中发挥关键作用的代谢枢纽基因。

研究小组发现，rTCA 和 CBB 循环的转录模式因不同的地球化学机制而显著不同。研究发现，每种途径都与特定的代谢过程有关。rTCA 循环与氢化酶和硝酸还原溶解酶有关。这些酶对于在无氧条件下处理氢和硝酸盐至关重要，这表明 rTCA 循环在低能量条件下发挥着关键作用。

相比之下，CBB 循环与硫化物氧化和同化硝酸盐还原有关。在硫化物丰富的热液喷口环境中，硫化物氧化是一个至关重要的过程。通过将 CBB 循环与硫化物氧化联系起来，共生体可以有效地利用环境中的化学能来固定碳。

这项研究最令人感兴趣的发现之一是这两种途径的互补性。在硫化物和氧气有限的条件下，rTCA 循环似乎尤为重要。1e 族氢化酶的鉴定突出了这一点，它与 rTCA 循环一起，在对这种限制的生理反应中发挥着至关重要的作用。这种灵活性赋予了管圆线虫极大的优势，使其能够在热液喷口多变的条件下茁壮成长。

研究期间测得的净碳固定率非常高，这使得长尾藻能够在环境中快速生长和存活。碳固定的双重途径--每种途径都针对不同的环境条件进行了优化--可能使共生体在环境变化过程中保持新陈代谢的稳定性。

对裂叶草中这些双重碳固定途径及其协调调控的分析，为生物碳捕获和基础生物化学研究开辟了新途径。这些知识可实际应用于生物技术领域，利用这些途径的原理开发更高效的碳固定系统。此外，了解这些途径是如何被调控的，还可以深入了解极端环境中代谢多样性和适应性的进化。

米切尔说："这项研究确实为今后的研究铺平了道路，让我们了解这些双重途径是如何使这种生物体固定这么多碳的。"

编译自/ScitechDaily