Εκπληκτική επιστημονική ανακάλυψη: Μικρόβια στο Yellowstone σπάνε τους Kανόνες για να παράγουν ενέργεια

 Η ζωή δεν υπακούει πάντα στους λογικούς κανόνες των βιβλίων της φυσικής. Οι περισσότεροι οργανισμοί, χρησιμοποιούν οξυγόνο για την παραγωγή ATP, την ενέργεια που αξιοποιούν τα κύτταρα. Μερικές μορφές ζωής, ειδικά τα μικρόβια, αξιοποιούν άλλες χημικές ουσίες όταν υπάρχει έλλειψη οξυγόνου. Η συνηθισμένη εξήγηση είναι πως, λειτουργούν είτε με τον έναν τρόπο είτε με τον άλλον.

Μια ομάδα που μελετούσε ένα μικρόβιο από μια θερμή πηγή στο Yellowstone ανακάλυψε κάτι διαφορετικό. Αυτό το βακτήριο μπορεί να χρησιμοποιεί ταυτόχρονα οξυγόνο και θείο για να παράγει ενέργεια. Η μικτή αυτή στρατηγική του δίνει πλεονέκτημα όταν υπάρχουν διακυμάνσεις στα επίπεδα οξυγόνου.

Η Lisa Keller από το πανεπιστήμιο της Μοντάνα, είναι η κύρια συγγραφέας της έρευνας αυτής, που περιγράφει την εργασία της με βακτηριακά δείγματα από μια ομάδα που ονομάζεται Aquificales.

Σε συνεργασία με τον σύμβουλο και μέντορά της, τον Eric Boyd, καθηγητή στο τμήμα μικροβιολογίας και κυτταρικής βιολογίας, του γεωπονικού κολεγίου, δημοσίευσαν τη συναρπαστική εργασία τους, στο περιοδικό Nature Communications.

Μικρόβια που «αναπνέουν» οξυγόνο και θείο

Στην αναπνοή που βασίζεται στο οξυγόνο, τα κύτταρα μεταφέρουν ηλεκτρόνια μέσω μιας αλυσίδας αντιδράσεων και τα παραδίδουν στο οξυγόνο στο τέλος. Στην αναερόβια αναπνοή, γίνεται μια παρόμοια διεργασία, αλλά τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται σε άλλους αποδέκτες, όπως είναι το θείο, το νιτρικό ιόν ή το σίδηρο. Αποδίδουν και οι δύο στρατηγικές – απλώς, διαφέρουν.

Το βακτήριο της θερμής πηγής, το Aquificota, αμφισβητεί τη γνωστή, διαζευκτική υπόθεση. Κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, διατηρεί ενεργά, ταυτόχρονα, και τα δύο συστήματα.

Αυτό σήμαινε πως, ενώ τα βακτήρια παρήγαγαν σουλφίδιο – μια αναερόβια διεργασία – χρησιμοποιούσαν ταυτόχρονα οξυγόνο, που σημαίνει ότι συνέβαιναν και οι δύο μεταβολισμοί.

«Δεν υπάρχει άλλη εξήγηση εκτός από το ότι, τα κύτταρα αυτά, αναπνέουν οξυγόνο την ίδια στιγμή που αναπνέουν στοιχειακό θείο», είπε η Keller.

Η Keller εξήγησε πως, η δυνατότητα του βακτηρίου να πραγματοποιεί και τις δύο διεργασίες ταυτόχρονα, αμφισβητεί την κατανόησή μας για το πώς επιβιώνουν τα μικρόβια, ειδικά σε δυναμικά, με χαμηλό οξυγόνο περιβάλλοντα, όπως είναι οι θερμές πηγές.

Οξυγόνο και θείο σε θερμές πηγές

Οι θερμές πηγές, είναι δύσκολα μέρη για τη διατήρηση της ζωής.  Οι θερμοκρασίες είναι ψηλές. Τα ορυκτά στοιχεία διαλύονται στο νερό και, τα αέρια φουσκώνουν και εξατμίζονται.

Το οξυγόνο διαλύεται λιγότερο στο ζεστό, παρά στο κρύο νερό και διαφεύγει πιο εύκολα. Γι’ αυτό τα επίπεδά του αλλάζουν από την μια στιγμή στην άλλη.
Σ’ αυτό το περιβάλλον, μια ευέλικτη στρατηγική παραγωγής ενέργειας, είναι πολύτιμη.

Το βακτήριο της συγκεκριμένης μελέτης, ευδοκιμεί σε υψηλές θερμοκρασίες και τρέφεται με απλά μόρια, μεταξύ των οποίων και το αέριο υδρογόνο.  Μπορεί να χρησιμοποιεί οξυγόνο, όταν αυτό είναι διαθέσιμο και στοιχειακό θείο όταν πέφτουν τα επίπεδα του οξυγόνου.

Η διεξαγωγή της μελέτης

Η Keller και η ομάδα της απομόνωσαν το μικρόβιο και στη συνέχεια το απομόνωσαν στο εργαστήριο σε υψηλές θερμοκρασίες με τρία συστατικά: αέριο υδρογόνο ως πηγή ενέργειας, το στοιχειακό θείο και το οξυγόνο. Στη συνέχεια παρακολούθησαν τις χημικές αντιδράσεις των κυττάρων και ποια γονίδια ενεργοποιούνταν.

Έπειτα, η ομάδα μέτρησε τα επίπεδα οξυγόνου απευθείας χρησιμοποιώντας χρωματογραφία αερίου. Παράλληλα παρακολουθούσαν τη μετατροπή του θείου σε σουλφίδιο, ένα σαφές σημάδι αναερόβιας αναπνοής με θείο.

Τα δεδομένα της έκφρασης γονιδίων συμφωνούσαν με τη χημεία: Τόσο τα ένζυμα για την αξιοποίηση του οξυγόνου, όσο και της διεργασίας με το θείο, ήταν ενεργά την ίδια στιγμή.

Η στρατηγική οξυγόνου και θείου του μικροβίου

Οι καλλιέργειες που τροφοδοτήθηκαν με υδρογόνο, θείο και οξυγόνο αναπτύχθηκαν ταχύτερα και έφτασαν σε υψηλότερο αριθμό κυττάρων σε σύγκριση με τις καλλιέργειες που χρησιμοποιούσαν μόνο οξυγόνο ή μόνο θείο.

Η αύξηση αυτή δείχνει ένα σημαντικό πλεονέκτημα: περισσότερη καθαρή ενέργεια όταν και οι δύο μεταβολικοί δρόμοι λειτουργούν ταυτόχρονα υπό συνθήκες χαμηλού ή ασταθούς οξυγόνου.

Μία λεπτομέρεια είναι σημαντική για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Το παραγόμενο σουλφίδιο δεν παραμένει σε ένα μικτό σύστημα. Το οξυγόνο και ορισμένα ιόντα μετάλλων στο θρεπτικό υλικό μπορούν να το καταναλώσουν γρήγορα.

Χωρίς προσεκτικό έλεγχο, αυτό μπορεί να αποκρύψει τη διπλή στρατηγική του μικροβίου. Η μελέτη αυτή έλαβε υπόψη αυτόν τον παράγοντα, κάτι που βοηθά να εξηγηθεί γιατί αυτή η συμπεριφορά μπορεί να είχε παραβλεφθεί σε προηγούμενα πειράματα.

Διαδεδομένο μοτίβο της φύσης

Γονίδια και ένζυμα παρόμοια με αυτά που εμπλέκονται στις παραπάνω διεργασίες, έχουν βρεθεί σε πολλά μικρόβια.  Αυτό, υποδηλώνει πως, η υβριδική λειτουργία, μπορεί να είναι πιο συχνή από όσο έχουμε συνειδητοποιήσει, ειδικά σε σημεία όπου οι συνθήκες αλλάζουν από στιγμή σε στιγμή. Οι θερμές πηγές και οι υποθαλάσσιοι υδροθερμικοί αεραγωγοί στα βάθη της θάλασσας, περιέχουν καύσιμα και οξειδωτικά που αυξομειώνονται.

Τα μικρόβια που μπορούν να διατηρούν διαθέσιμους πολλούς αποδέκτες ηλεκτρονίων, μπορεί να αναπτυχθούν περισσότερο από τους “γείτονές” τους, που περιμένουν από την μια και μοναδική, ιδανική συνθήκη.

Η ευελιξία αυτή, ταιριάζει με την ιστορία της πρώιμης Γης.  Το οξυγόνο δεν κατέκλυσε με μιας τους ωκεανούς.  Αντίθετα, εμφανίστηκε με  ανομοιογενή και ασυνεπή τρόπο. Τα μικρόβια που μπορούσαν να ανιχνεύουν ελάχιστες ποσότητες οξυγόνου ενώ βασίζονταν ακόμα σε παλαιότερες, αναερόβιες αντιδράσεις πιθανώς είχαν πλεονέκτημα.

Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής, μπορεί να εξηγούν πώς προσαρμόστηκαν οι αρχαίες μορφές ζωής στη σταδιακή οξυγόνωση της Γης που ξεκίνησε πριν από περίπου 2.8 δισεκατομμύρια χρόνια – το Μεγάλο Γεγονός της Οξείδωσης.

«Είναι πραγματικά ενδιαφέρον και δημιουργεί ακόμη περισσότερα ερωτήματα», είπε η Keller. «Δεν γνωρίζουμε πόσο διαδεδομένο είναι, ωστόσο ανοίγει την πόρτα σε πολλές νέες έρευνες».

Το βακτήριο του Yellowstone μπορεί να μην είναι αρχαίο, ωστόσο καταδεικνύει μια στρατηγική που θα έβγαζε νόημα όταν άρχισε να έχει σημασία το οξυγόνο.

Πώς λειτουργεί ο συνδυασμός οξυγόνου και θείου

Το οξυγόνο βρίσκεται στην κορυφή της ενεργειακής κλίμακας γιατί δέχεται ηλεκτρόνια με μεγάλη ισχύ, κάτι που συνήθως σημαίνει περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα καυσίμου.

Οι ενώσεις του θείου δέχονται επίσης ηλεκτρόνια, αν και η παραγωγή ενέργειας είναι χαμηλότερη. Όταν το οξυγόνο είναι σπάνιο ή μεταβαλλόμενο, η ταυτόχρονη χρήση του θείου διατηρεί τη ροή ενέργειας χωρίς να την αναχαιτίζει.

Η θερμοκρασία και η χημεία βοηθούν στη δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών. Η υψηλή θερμοκρασία επιταχύνει τις αντιδράσεις και μειώνει τη διαλυτότητα του οξυγόνου. Το αέριο υδρογόνο, που είναι κοινό γύρω από υδροθερμικά συστήματα, παρέχει μια σταθερή ροή ηλεκτρονίων.

Το στοιχειακό θείο είναι άφθονο σε πολλά ηφαιστειακά και γεωθερμικά περιβάλλοντα. Μαζί, αυτές οι συνθήκες κάνουν την ταυτόχρονη αναπνοή οξυγόνου και θείου ευνοϊκή.

Συνέπειες για τον πραγματικό κόσμο

Η μικτή αναπνοή υποδηλώνει νέους τρόπους λειτουργίας βιοαντιδραστήρων και προσπαθειών περιβαλλοντικής αποκατάστασης. Αν μπορούμε να ωθήσουμε τα μικρόβια να διατηρήσουν ενεργές περισσότερες από μία μεταβολικές οδούς, οι μηχανικοί μπορεί να επιτύχουν μεγαλύτερη απόδοση σε συστήματα μετατροπής αποβλήτων σε ενέργεια ή να διατηρήσουν σταθερή τη διάσπαση ρύπων όταν η παροχή οξυγόνου είναι άνιση.

Το ίδιο σκεπτικό ισχύει και για τη διαχείριση των κύκλων του θείου και του άνθρακα σε σύνθετα περιβάλλοντα όπου το οξυγόνο δεν είναι εύκολο να ελεγχθεί. Η μελέτη αυτή τονίζει επίσης τη σημασία της προσεκτικής σχεδίασης πειραμάτων. Η δοκιμή ενός μικροβίου σε αυστηρό περιβάλλον «μόνο με οξυγόνο» ή «χωρίς οξυγόνο» μπορεί να παραβλέψει συμπεριφορές που εμφανίζονται μόνο όταν είναι διαθέσιμα και τα δύο στοιχεία.

Σε πραγματικά περιβάλλοντα, σπάνια υπάρχουν ξεκάθαρες κατηγορίες.  Τα πρωτόκολλα των εργαστηρίων που αντιστοιχούν αυτές τις περίπλοκες πραγματικότητες, αποκαλύπτουν στρατηγικές που αλλιώς, θα παρέμεναν κρυφές.

Συμπερασματικά, αυτό το θερμόφιλο βακτήριο Aquificale που αγαπά τη ζέστη, διευρύνει το πώς σκεφτόμαστε για το «ενεργειακό εγχειρίδιο» της ζωής.  Είναι απρόβλεπτο, ευπροσάρμοστο και γεμάτο από έξυπνες εναλλακτικές που επιτρέπουν στα μικρόβια και τελικά σε εμάς, να επιβιώνουμε σ’ έναν μεταβαλλόμενο κόσμο.