När människor har låga järnnivåer, de tenderar att känna sig svaga, trött och yr. Denna trötthet hindrar patienter med anemi med järnbrist från att träna eller anstränga sig för att spara energi.

Liknande, i miljöer med låg järnhalt, mikrober överlever genom att bromsa kolbearbetningen och utvinna järn från mineraler. Dock, denna strategi kräver att mikrober investerar värdefulla livsmedelskällor för att producera mineralupplösande föreningar. Med tanke på denna paradox, forskare ville förstå hur mikrober upprätthåller överlevnadsstrategier i miljöer med för lite järn för att trivas.

Järn är avgörande för kolmetabolismen eftersom det krävs av proteinerna som är involverade i bearbetningen av kol. Men eftersom syre gör lösligt järn mindre rikligt i miljön, bakterier verkar ofta under järnbegränsning och behöver stänga av eller dramatiskt minska kolintaget.

Tittar på en grupp bakterier från jord, forskare vid Northwestern University upptäckte att dessa organismer övervinner begränsningar i deras kolbearbetningsmaskineri genom att omdirigera sina metaboliska vägar för att gynna producerande av järnrenande föreningar. Studien är den första som använder metabolomics, en högupplöst teknik för att övervaka kolflödet i cellerna, att studera järnets inverkan på kolets kretslopp i bakterieceller.

Studien publicerades idag i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .

Ludmilla Aristilde, en docent i civil- och miljöteknik vid McCormick School of Engineering, ledde forskningen. Hennes forskargrupp fokuserar på att förstå miljöprocesser som involverar organiska ämnen, med konsekvenser för ekosystemens hälsa, jordbruksproduktivitet och miljöbioteknik.

Inom nätverket av metabolism i bakterier, citronsyracykeln ger de kolskelett som behövs för att göra järnrenande föreningar. Metabolism av vissa kolkällor genererar bättre kol och bränsle från citronsyracykeln. Järnsvältade bakterier gynnar kolbearbetning genom citronsyracykeln för att producera mer järnrenande föreningar. Aristilde sa att detta fynd är viktigt eftersom forskningen visar att oorganiska näringsämnen kan ha en direkt inverkan på organiska processer.

"Hierarkin i kolmetabolism belyser att selektivitet i specifik kolanvändning är starkt kopplad till något som är oorganiskt, ", sa Aristilde. "För att sätta detta i sammanhanget med klimatförändringarna, vi måste förstå vilka förhållanden som styr markens kolkretslopp och dess bidrag till koldioxid."

Genom att fokusera på Pseudomonas-arterna i jordar, forskargruppen kunde dra slutsatser om andra arter. Pseudomonas-bakterierna finns också som patogener för människor och växter, i vår tarm och på andra ställen i miljön. Aristilde hoppas att eftersom de bakterier hon och hennes forskare valde att studera är så allestädes närvarande, framtida forskning kommer att kunna använda hennes grupps resultat som en färdplan.

Tidigare forskning studerade organismers beteende med en lägre upplösning av information. Medan forskare har använt genomik för att förutsäga vad som kan hända i metabolismen av arter baserat på att identifiera och mäta gener, Aristilde-labbet använder artens metabolomik för att fånga vad som faktiskt händer i ämnesomsättningen. Deras forskning ger ledtrådar som tyder på att många andra organismer och system också kan använda liknande metaboliska strategier.

Som miljöingenjör, Aristilde sa att hennes studieområde handlar om att förstå mekanismer och göra förutsägelser om hur miljöprocesser som kolcykeln beter sig. Utöver kolcykling och klimatförändringar, studien har också konsekvenser för växt- och människors hälsa. Att förstå hur bakterier som orsakar böjningar ändrar kolmetabolismen för att konkurrera om järn i sina växt- eller mänskliga värdar kan göra det möjligt för forskare att bättre utforma målbehandlingar.