Forntida mikrober som trivs i några av världens mest extrema miljöer och nutida människor har mer gemensamt än vad man kan se – nämligen, de både andas och sparar energi genom att använda en liknande molekylär mekanism, en som har anpassat sig till förändrade miljöförhållanden under miljarder år.

Resultaten, publiceras idag i Cell av forskare vid Van Andel Research Institute (VARI), University of Georgia (UGA) och Washington State University, detaljera strukturen för MBH, ett molekylärt komplex involverat i mikrobiell andning. Bilderna med nära atomär upplösning är de första någonsin av MBH och visar att dess struktur är anmärkningsvärt lik dess motsvarighet hos människor, Komplex I.

"Naturen är riktigt bra på att hitta molekyler som fungerar och sedan modifiera dem och använda dem om och om igen. Det här är ett utmärkt exempel, sa Michael W.W. Adams, Ph.D., en UGA Distinguished Research and Georgia Power Professor som har studerat MBH i 20 år. "Att känna till MBHs struktur ger oss nya insikter om hur Complex I utvecklades och hur det kan fungera."

Nästan allt liv på jorden är beroende av andning, som omvandlar elektrisk energi till en användbar, kemisk form. MBH och Complex I är viktiga delar i denna process; dock, tills nu, det evolutionära sambandet mellan dem var oklart. MBH:s struktur illustrerar också en mekanism för att omvandla elektrisk energi till kemisk energi som är enklare än den i Complex I.

"Bestämningen av MBH:s struktur fyller i några viktiga saknade delar som avslöjar hur livet anpassat sig till genomgripande förändringar i miljön under årtusendena, " sa Huilin Li, Ph.D., en professor vid VARI:s Center for Epigenetics och co-senior författare på studien. "Detta löser en grundläggande, långvarigt mysterium inom biologi."

MBH betraktas som ett gammalt andningsorgan eftersom det isolerades från Pyrococcus furiosus , en mikrob som växer bäst i kokande vatten och som i miljarder år har gjort sitt hem i vulkaniska marina öppningar. Denna ogästvänliga miljö, med sin skadliga blandning av gaser och extrema temperaturer, är besläktad med de atmosfäriska förhållanden som finns på en mycket yngre, mycket mer flyktig planet.

Även om många aspekter av de två komplexen är likartade, Complex I har flera extra loopar som gör att det kan interagera med fler molekyler än MBH, en anpassning som sannolikt uppstod tillsammans med en förändring i jordens atmosfäriska sammansättning.

"Det är fantastiskt att se dessa två avlägset besläktade system omorganisera sina delade element för att anpassa sig till sina olika livsvillkor, " sa Hongjun Yu, Ph.D., studiens första författare och en forskare i Lis labb. "Det ser ut som om naturen leker med sina egna byggstenar."

Skillnaderna återspeglas också i deras metabolism; människor andas in syre och andas ut koldioxid, en konvertering med hjälp av Complex I, medan P. furiosus använder MBH för att driva ut vätgas, möjligen öppnar potentialen för dess användning som en källa till ren energi.

MBH visualiserades med VARI:s kraftfulla Titan Krios kryoelektronmikroskop (cryo-EM), som kan avbilda molekyler 1/10, 000:e bredden av ett människohår. Institutets Krios är ett av färre än 120 sådana mikroskop i världen.