Citrat sintazni komentar

Pet minut slave si je prejšnji teden v reviji Science prislužila bakterija po imenu Desulfurella acetivorans. S svojim neraziskanim metabolizmom je raziskovalcem in raziskovalkam dala kar nekaj dela, ki pa je nepričakovano pripeljalo do na prvi pogled majhnega, pa vendar pomembnega odkritja. Če je zaradi nove raziskave treba spreminjati študijsko gradivo in zapise na Wikipediji, potem ji lahko namenimo tudi Znanstveni komentar znanstvene redakcije. Pravzaprav ni nepomembno tudi to, da je ravno avtorica tega prispevka imela priložnost pobliže spoznati omenjeno bakterijo in njene najbolj zagnane raziskovalce in bi vam rada povedala, za kaj gre.

Organizmi živijo v najrazličnejših okoljih, vsem pa je skupno, da porabljajo in proizvajajo spojine iz ogljika, vodika, dušika, kisika, fosforja in žvepla. Kroženje ogljika omogočajo rastline s procesom fotosinteze, med katerim ogljikov dioksid iz zraka predelajo v organske spojine, ki jih nato zaužijejo živali ali mikroorganizmi. Ogljik se v okolje vrne v obliki ogljikovega dioksida prek procesov dihanja in razkrajanja.

Ljudje, živali, glive in večina bakterij so heterotrofni organizmi, ki porabljajo hranilne organske snovi in pridobivajo energijo iz oksidacijske pretvorbe organskih molekul v ogljikov dioksid oziroma CO2. Avtotrofne pa so rastline, arheje in nekatere bakterije, ki fiksirajo CO2 ter s pomočjo biokemičnih procesov proizvajajo molekule, kot so sladkorji, aminokisline in lipidi. S temi se hranijo heterotrofi in krog se sklene.

Številnim organizmom pridobivanje energije iz hrane na nivoju celice omogoča tako imenovani Krebsov cikel. Morda se ga nekateri pod imenom citratni cikel ali cikel trikarboksilnih kislin še spomnite s predavanj biologije. Gre za zaporedje več encimskih reakcij, ki potekajo tako v človeških kot bakterijskih živih celicah. Reakcije ogljikove hidrate spreminjajo v ogljikov dioksid in vodo, poleg tega pa ob prisotnosti kisika nastajajo energetsko bogate molekule, ki so vir energije za celico.

Nekateri mikroorganizmi pa Krebsov cikel uporabljajo, tudi kadar v njihovem okolju ni kisika. V takšnih pogojih encimske reakcije cikla potekajo v nasprotni smeri in tako omogočajo izgradnjo organskih molekul iz ogljikovega dioksida. Mikroorganizmi na ta način fiksirajo CO2 iz zraka - podobno kot to počnejo rastline s fotosintezo. Do nedavnega je veljalo, da so za takšen obrat cikla potrebni alternativni encimi.

Raziskovalci in raziskovalke z Univerze v Münstru in Univerze v Freiburgu v Nemčiji so preučevali način, s katerim bakterija desulfurella fiksira CO2 iz svoje okolice. S poskusi jim je uspelo izključiti vseh šest do sedaj poznanih načinov fiksacije CO2. V iskanju še nepoznane poti so po naključju ugotovili, da osrednji encim Krebsovega cikla citrat sintaza, ki omogoča nastanek citrata, lahko deluje naprej in nazaj. To je do sedaj veljalo za nemogoče.

S poskusi so torej dokazali, da encim citrat sintaza lahko namesto sinteze citrata sproži njegovo cepitev. Energetsko je to zelo učinkovit način fiksacije CO2 v primerjavi s predhodno poznanimi reakcijami in encimi, ki so za cepitev citrata potrošili več energije. Takšnega metabolizma ne moremo dokazati z analizami genoma, saj nimamo značilnega encima metabolne poti, genetski zapisi encimov pa se ne razlikujejo glede na smer svojega delovanja.

Bakterija desulfurella acetivorans, o katere encimih govorimo,  je bila odkrita na polotoku Kamčatka, na ruskem daljnem vzhodu, v vulkanskih izvirih, kjer temperature presegajo 50 stopinj Celzija. Bakterija je torej termofilna, živi v okolju brez kisika in namesto njega uporablja žveplo. Lahko živi heterotfrofno in se hrani z organsko hrano, ali pa avtotrofno ob prisotnosti vodika z obrnjenim Krebsovim ciklom.

Zanimivo je, da so do zelo podobnega spoznanja o obojesmernem delovanju citrat sintaze istočasno prišli tudi japonski raziskovalci in raziskovalke. Rezultate opazovanja procesov v globokomorski termofilni bakteriji so prav tako objavili v reviji Science. Metabolna pot z izbranimi encimi in njihovim delovanjem v obe smeri omogoča bakterijam živeti na dva načina; heterotrofno ali avtotrofno. To pomeni, da bakterije z najmanjšim številom razpoložljivih encimov iz svojega trenutnega okolja lahko dobijo največ. Evolucijsko gre verjetno za starodavno metabolno pot, ki morda neopazno teče v številnih anaerobnih organizmih. Raziskati pa bi bilo potrebno, v kolikšni meri takšen metabolizem globalno prispeva k biološki fiksaciji ogljikovega dioksida.

Poleg do sedaj nepoznanega obejesmernega delovanja citrat sintaze so raziskovalci pokazali tudi, da so nepričakovana odkritja možna, pa čeprav preučujemo stare, dobro raziskane in uveljavljene procese. To nas opomni, da zagotovo še ne vemo vsega in moramo biti pripravljeni na več presenečenj, sploh kadar govorimo o pestrih načinih ohranjanja življenja mikroorganizmov v raznolikih okoljih.

Za tiste, ki jih novoodkrite metabolne poti ne navdušujejo, pa lahko poudarimo, da je omenjeni članek tudi lep primer objave v reviji z visokim faktorjem vpliva, pri kateri so kot avtorje navedli vse raziskovalce, tudi študente in študentke.

To pogosto pogrešamo pri domačih objavah, ki so rezultat  brezplačnega dela študentov in prekarno zaposlenih. S tem si profesorji ustvarjajo umetno veljavo, ohranjajo zdajšnja in zagotavljajo prihodnja mesta v univerzitetni ter raziskovalni sferi. Zagotovo pa sodelovanje med različnimi institucijami, študenti in profesorji ter kanček naključja ali raziskovalne sreče prinašajo dobre znanstvene zgodbe.

Znanstveni komentar je pripravila Katarina.