古细菌如何切换氮吸收开关以避免暴饮暴食

通过严格调节氮的吸收，微生物可以避免过量摄入氮而浪费能量。马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家们现在揭示了一些产甲烷古菌是如何做到这一点的。

没有氮气，生命就不可能存在。生物体获取氮的方法有很多种。例如，人类食用蛋白质是因为蛋白质的氮含量很高。大多数微生物以氨(NH3)的形式从环境中吸收氮。由于这个过程会消耗通常稀缺的细胞能量，因此需要严格监管。

由德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的特里斯坦·瓦格纳领导的一个科学家小组现在已经在一个尚未开发的微生物群：古细菌中研究了这种调节。

古细菌和细菌在大小和形状上可能大致相似，但属于两个不同的界。细菌氮吸收的调节已被充分研究并且非常复杂。相比之下，人们对古细菌的过程知之甚少。

“因此，我们开始研究这些未被充分研究的微生物如何管理这种调节，”第一作者玛丽-卡罗琳·穆勒说。他们与荷兰拉德堡德大学的科学家一起研究了两种产甲烷古菌的氮同化酶。他们的研究结果发表在《通讯生物学》杂志上。

一种分子开关，两种切换方式

在他们的实验中，科学家们使用了两种来自截然不同环境的产甲烷古菌：来自那不勒斯湾沉积物的嗜热石温甲烷球菌，以及来自中国油田的圣莲甲烷球菌。

“虽然所研究的生物体通常非常相似，但我们发现它们在调节氮吸收方面存在显着不同，”穆勒解释道。它们依靠相同的酶来获取氮，但操作开关的方式不同。

首先，研究人员从两种生物体中纯化了谷氨酰胺合成酶(负责能量依赖性氮吸收的酶)并检查了其活性。在那里，他们遇到了第一个惊喜。虽然来自胜莲分枝杆菌的酶如预期那样具有活性，但来自热石营养分枝杆菌的酶却没有。显然，两种生物都使用相同的酶来吸收氮，但对其调节方式不同，即它们打开和关闭酶的方式不同。触发因素是什么?

研究人员决定尝试2-酮戊二酸，它已被证明可以增强某些古细菌中谷氨酰胺合成酶的活性。事实上，它确实有效。

“当我看到这个结果时，我非常兴奋，”穆勒说。

“我们找到了一种方法，可以打开嗜热微生态菌中酶活性的开关，我们甚至设法通过操纵2-酮戊二酸的浓度来调节它：当细胞需要氮时，2-酮戊二酸水平会增加并开关关于谷氨酰胺合成酶。”

“然而，当细胞有足够的氮时，2-酮戊二酸水平会降低到不足以维持酶活性的浓度，从而阻止氮同化。因此，当细胞氮供应充足时，不会浪费能量。”

此外，科学家们发现，谷氨酰胺(细胞中携带氮的分子)可以使圣莲分枝杆菌酶失活。这种策略已经在一些细菌中被发现。相比之下，嗜热微生态菌对谷氨酰胺不敏感，这再次说明了两种微生物之间非常不同类型的调节。

封闭的微生物，不同的机制

接下来，科学家们想要找出2-氧代戊二酸如何设法打开热石营养菌中的氮吸收开关。通过使用同步加速器辐射的X射线晶体学，他们确定了酶的3D结构，该酶必须事先结晶，无论是否附着有2-酮戊二酸。此外，他们将其与另一种研究的生物体——M.saintliensis进行了比较。

在热石营养型分枝杆菌中，2-氧代戊二酸结合在远离发生反应的活性位点的口袋中。2-酮戊二酸结合重塑了酶以采用活性形式。然而，2-酮戊二酸不能与圣莲分枝杆菌的酶结合，这解释了为什么它不与2-酮戊二酸发生反应。

“现在我们可以详细描述2-酮戊二酸开关的工作原理以及哪些酶对其敏感，”Müller说。

瓦格纳说：“即使是最接近的微生物，例如产生甲烷的古细菌，也设计了不同的方法来调节氮同化。”

瓦格纳总结道：“这个调控网络有一个美丽之处，它经过进化的打磨，能够专门、快速地满足细胞的需求。可以期待更多的惊喜：最有可能的是，其他意想不到的调控系统正在等待被发现。”