一组科学家阐明了一种古老的细胞呼吸机制。为此，他们研究了以二氧化碳和氢气为食的细菌，并将其转化为醋酸——这一代谢途径在进化早期就已出现。这支国际团队现在已经能够揭示微生物如何利用这一过程生成能量的奥秘。他们的发现还有另一个有趣的原因：由于这些微生物从环境中去除了二氧化碳，它们被视为抗击气候变化的希望灯塔。
动物、植物和许多其他生物通过吸入氧气来“燃烧”（从技术上讲是氧化）糖等化合物，将其转化为二氧化碳和水——在这一过程中，产生了富含能量的分子ATP。细胞需要ATP来驱动重要反应。然而，在我们星球早期的存在阶段，地球的气氛中尚未含有氧气。然而，对仍然存在于无氧生态系统中的古老细菌的研究（例如，在海洋底部的热泉中）表明，当时可能已经存在一种特殊形式的呼吸。
这些微生物“呼吸”二氧化碳和氢气，生成醋酸。它们所采用的代谢途径已经为人所知。直到现在，尚未回答的问题是它们如何利用这一过程来产生ATP。目前的研究为此提供了答案。“我们能够展示，醋酸的生产本身激活了一种复杂的机制，钠离子被泵出细菌细胞到环境中，”法兰克福歌德大学分子微生物学和生物能量学主任沃尔克·穆勒教授解释道。“这降低了细胞内的钠浓度，而细胞膜则像一个拦截离子的水坝。一旦这个水坝被打开，钠离子便流回细胞，驱动一种分子涡轮机，生成ATP。”
在这个过程中，被称为Rnf复合体的不同蛋白质的集合起着关键作用。这些蛋白质大多埋在包围细菌细胞的膜内。“这个复合体非常敏感，以至于我们仅在几年前才得以分离出来，”穆勒强调。当二氧化碳与氢发生反应形成醋酸时，电子通过一系列不同的中间步骤从氢转移到碳原子，Rnf复合体在其中发挥了中介作用：它吸收并传递电子。
在当前的研究中，科学家们已经展示了此过程中究竟发生了什么。结构生物学家阿努杰·库马尔——穆勒研究组和马尔堡大学的詹·舒勒博士的博士生——使用一种称为冷冻电子显微镜的复杂方法，制备了经过纯化的醋酸杆菌的Rnf复合体，然后将其“瞬间冷冻”，并滴在一个载体板上。在这个过程中，形成了一层薄薄的冰，其中包含数百万个Rnf复合体，可以使用电子显微镜观察。由于它们在滴落过程中以不同方式落到载体板上，因此可以在显微镜下观察到它们的不同侧面。
“这些图像可以合成一个三维图，这为我们提供了精确的复杂结构内幕，尤其是那些对电子转移至关重要的部分，”库马尔解释道。分析在不同时间间隔拍摄的图像显示，这个复杂体的各个组成部分并非僵硬，而是在动态地来回移动。这使得电子载体可以跨越更长的距离并传递其负载。
问题仍然存在：电子流如何驱动钠离子的流出？斯德哥尔摩大学的维尔·凯拉教授的分子动力学模拟为这一问题提供了初步答案。中间膜中的一簇铁和硫原子在起到了重要作用，在捕获电子后变得带负电。“来自细胞内部的带正电的钠离子被这个簇吸引，就像磁铁一样，”穆勒研究组的博士生詹妮弗·罗斯解释道。“这种吸引反过来使得蛋白质在铁-硫簇周围移动，类似于换档开关：它们在膜的外部创造一个开口，通过该开口再一次释放钠离子。”
罗斯通过对Rnf蛋白质进行特定的基因修改，确认了这一过程。能够阐明这个根本上新的机制，证明了三个大学之间成功的合作。更有趣的是，在醋酸生产过程中，这些微生物能够从环境中吸收二氧化碳。这种能力可能被用于去除工业废气中的温室气体，帮助减缓气候变化，同时为化工行业提供有价值的原料。“一旦我们知道细菌如何在这个过程中生成能量，我们可能能够优化这一过程，让我们生产出更高品质的最终产品，”穆勒希望。这些发现也可能为针对具有类似呼吸酶的病原体的新药提供出发点。
