Fig. 1:Förhållandet mellan TCA-cykeln och pyruvat, acetyl-CoA, oxaloacetat, oxoglutarat, och succinyl-CoA visas. Kredit:Hokkaido University
Multi-omics forskning på Thermosulfidibacter (isolerad från ett hydrotermiskt fält i södra Okinawa Trough) har möjliggjort upptäckten av den möjligen mest ursprungliga formen av trikarboxylsyra (TCA) cykel.
TCA-cykeln är en nyckelmetabolisk mekanism som är väsentlig för de flesta organismer. Det går tillbaka till uppkomsten av den sista gemensamma förfadern på jorden och anses vara "en av de tidigaste ämnesomsättningslinjerna" sedan den kemiska evolutionens inledning (Fig. 1). Även om TCA-cykeln kan existera i flera former, det finns olika argument angående dess ursprungliga sammansättning vid den tidpunkt då livet började på jorden.
Forskargruppen har upptäckt att den termofila bakterien Thermosulfidibacter takaii (Fig. 2, hädanefter kallad "Thermosulfidibacter") belägen i en basal position av bakterien har en ny TCA-cykel, möjligen den mest primitiva formen hittills känt. Multi-omics analyser, inklusive en ny metod inom metabolomik, har avslöjat att Thermosulfidibacter har en reversibel TCA-cykel, som flexibelt kan ändra reaktionsriktningen beroende på tillgängliga kolkällor, oavsett om de befinner sig under autotrofa eller mixotrofa förhållanden (Fig. 3). Fram till datum, ingen annan organism har visat sig uppvisa både kolfixeringsfunktioner (autotrofi) och dekarboxyleringsfunktioner (heterotrofi) i TCA-cykeln, använder samma uppsättning enzymer. Bland TCA-cyklerna, den som observeras i Thermosulfidibacter är "exotisk" på grund av dess förmåga att bekvämt vända reaktionens riktning som svar på dynamiskt fluktuerande miljöförhållanden, och det anses uppvisa egenskaper hos den mest basala formen av TCA-cykeln.
Fig. 2:En Thermosulfidibacter takaii-cell. Kredit:Hokkaido University
Även om den eviga frågan, om de ursprungliga livsformerna var autotrofa eller heterotrofa, återstår att besvara (Fig. 4), egenskaperna hos den ursprungliga TCA-cykeln som avslöjas i denna studie tyder starkt på möjligheten av födelsen av mixotrofiskt liv som kan variera dess metabolism flexibelt beroende på överflöd av tillgängliga organiska och oorganiska kol på den ursprungliga jorden.
Resultaten publicerades i Vetenskap den 2 februari, 2018.
Fig. 3. Schematisk representation av driften av (r)TCA-cykeln av T. takaii under kemolithautotrofa och kemolithomixotrofa tillväxtförhållanden baserat på isotopologanalys av proteinhärledda aminosyror med användning av 13C-märkta substrat. Celler odlades kemolitoautotrofiskt (A). Celler odlade kemolithomixotrofiskt med succinat (B), acetat (C), och succinat och acetat (D) i närvaro av jästextrakt. Cirklar indikerar kolatomer i föreningen (positionsnumret läses från vänster till höger). ATP-oberoende citratklyvning observerades i celler som odlats kemolitoautotrofiskt och kemolitomikotrofiskt med succinat. Röda prickade linjer indikerar vägar bekräftade av transkriptom- och proteomanalyser men inte bekräftade av isotopomeranalysen. Blå prickade linjer indikerar vägar bekräftade av transkriptom- och proteomanalyser men kan teoretiskt inte identifieras av isotopomermönstren. Kredit:Hokkaido University
Fig. 5:Olika former av den kända TCA-cykeln och den reversibla TCA-cykeln (detekterad i Thermosulfidibacter) visas. Kredit:Hokkaido University
