呼吸醌的多样性如何影响微生物生理由加州大学-圣地亚哥

一项新的研究提供了对称为呼吸醌的小分子的多样性及其对细菌物种的适应性影响的基本理解。加利福尼亚大学圣地亚哥分校的生物工程师专门研究了有氧环境中生长的细菌中存在的不同类型的醌如何影响呼吸。

该团队由加州大学圣地亚哥分校加莱蒂生物工程教授Bernhard Palsson和Palsson实验室的博士后研究员Amitesh Anand领导，于11月25日在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表了他们的发现。

的方法，呼吸是依赖于不同类型的称为呼吸醌膜定位，氧化还原活性小分子。一种类型的泛醌，以现代生命形式用于有氧呼吸。从历史上看，它的出现与地球上氧气的出现重叠。萘醌是另一种类型，主要用于古代生物(存在于大约25亿年前，地球上几乎没有氧气或没有氧气)用于厌氧呼吸。

醌的这种多样化与地球环境的氧化作用重叠，因此被认为是对氧气水平上升的适应性反应。然而，大量细菌的种类仍然呼吸作用有氧使用古老的呼吸道醌，萘醌。

大肠杆菌和其他几种细菌获得了产生泛醌的能力，同时保留了制造萘醌的途径。有趣的是，这些细菌使用泛醌进行有氧呼吸，使用萘醌进行厌氧呼吸。不含泛醌的细菌物种，例如金黄色葡萄球菌和结核分枝杆菌，可以使用萘醌有效地进行需氧呼吸。

为了研究有氧萘酚在细菌中的代谢局限性，并且能够产生两种类型的呼吸醌，研究人员设计了一种缺乏泛醌的大肠杆菌，迫使其使用古老的呼吸醌进行有氧呼吸。然后，他们对该菌株进行了适应性实验室进化，以了解在有氧环境中使用古醌时细菌物种面临的代谢挑战。目的是在地球大气中氧气迅速上升的过程中重新创造条件，这一事件通常被称为“大氧气事件”。

在大肠杆菌中观察到发展到呼吸作用需氧使用萘醌菌株以激活是在周质空间减轻氧化应激的主要负责细胞防御系统的一个子集。萘醌的相对较低的氧化还原电位使其在呼吸中的电子转移链运行过程中更容易产生非生产性的电子泄漏，这可能导致反应性自由基的产生并损害细胞。

通过激活防御机制，细菌可以更安全地操作电子传输链，并显示出氧气消耗的改善。但是，这种防御机制的激活要求细菌重新分配有限的细胞资源。这限制了进化菌株的生长能力。研究人员假设，这种所谓的“恐惧贪婪”权衡导致了更高氧化还原电位醌的出现。

研究人员说，了解这种担心的权衡取舍，不仅可以增进对微生物生物能学进化的基本了解，而且可以促进调节细菌的生长和存活，特别是可以利用萘醌有氧呼吸的多种致病细菌。

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