逆向TCA循環，提示地球上早期生命線索
深海熱液噴口能夠釋放大量二氧化碳，生活在那里的微生物成為了代謝適應的絕佳例子。這一代謝途徑為極端環境中的微生物生態學帶來了啟示，提示了地球上早期生命的線索。
很少有化學物質能像二氧化碳（CO2）一樣頻繁上頭條，讓自己的分子式廣為人知。二氧化碳對于理解氣候變化至關重要，以至于我們覺得CO2是個未來威脅。但對于大多數微生物來說，二氧化碳看起來更像是一頓大餐，而不是威脅。微生物特有的方式（二氧化碳固定途徑）使其細胞能吸收二氧化碳。這些途徑是生命必需的，因為地球上所有的生態系統，最終依賴著那些能利用二氧化碳合成有機物質的細胞。在發表于《自然》的一篇文章中，Steffens等人揭示了一條精妙途徑的關鍵細節，該途徑使細菌能在被CO2為主的氣體所包圍的熱液環境中茁壯成長。
Steffens和他的同事研究了細菌Hippea maritima。這些微生物不喜歡氧氣，偏好接近60°C的高溫，并從氫氣（H2）與硫的反應中獲取能量，生成硫化氫（H2S）。和所有的生命形式一樣，它們需要碳源來生長。而且它們可選的資源也取決于環境里有什么。如果周圍存在豐富的蛋白質，H. maritima便會將其加以利用，作為材料納入其生長所需的代謝過程。
但是，如果H. maritima在40%的CO2濃度下生長(比大氣中的CO2濃度高1000倍)，它們會進行某種“化學工程改造”，從而利用逆向氧化三羧酸循環的通路。這聽起來可能很復雜，但實際上與我們所熟悉的人類營養學類似。我們吃的食物在腸道中分解后，細胞會通過一種叫做三羧酸(TCA)循環的途徑將食物中所含的糖、脂肪和蛋白質轉化為能量和二氧化碳。這一過程也被稱為克雷布斯循環（Krebs cycle），以發現此過程的科學家命名。幾乎所有的生命形式都利用三羧酸循環，但在一些細菌中這一過程可以反向進行，而這種反向過程，即逆向氧化三羧酸循環(圖1)，在能量參與下能將CO2轉化為氨基酸、糖類和脂類。
圖1 | 逆向氧化TCA循環。幾乎所有生命形式都利用三羧酸循環，經由丙酮酸、草酰乙酸、2-酮戊二酸、檸檬酸和乙酰輔酶A（acetyl-CoA）等物質將氨基酸、糖和脂類分子轉化為能量和CO2。有些細菌能以相反的方向進行這個循環（稱為逆向氧化三羧酸循環），將CO2 和氫（H2）結合形成氨基酸、糖和脂類分子。Steffens等人使用了追蹤標記碳原子等方法，揭示了使Hippea maritima 細菌逆向進行TCA循環的機制。作者指出，高水平的檸檬酸合酶是途徑逆轉的關鍵。
此前，什么使三羧酸循環在特定的生長條件下逆向運行一直是個謎。Steffens等人指出，H. maritima的秘訣是以一種意想不到的方式調整一種關鍵酶的水平，以便在遇到高濃度的CO2之前做好同化的準備。這在微生物的環境和代謝之間產生了一種巧妙的和諧。
當高濃度的二氧化碳存在時，H. maritima可利用逆向氧化三羧酸循環，這正是Steffens和同事們所采用研究技術的高明之處。研究人員給這些細菌供給氨基酸和標記有碳-13（13C）同位素的二氧化碳。這兩種食物來源都會進入逆向氧化三羧酸循環。作者在生長的細胞中追蹤13C在這一途徑中間產物中的積累，即能揭示細胞在這一途徑以何種路徑使用了哪種碳源，也使他們能夠確定碳同化時逆向氧化三羧酸循環完整發生了多少次。
以上研究表明，H. maritima能夠優先使用CO2作為碳源，但僅限于CO2供應充足的情況下。為了使三羧酸循環在高濃度CO2的作用下逆向運行，細胞中含有大量的檸檬酸合成酶。高水平的檸檬酸合成酶使乙酰輔酶A（acetyl-CoA）分子更易產生，后者形成丙酮酸而退出逆向氧化三羧酸循環，而丙酮酸進一步被轉化為脂質、糖和氨基酸（圖1）。這反過來又促使CO2進入循環。通過這種方式，環境中高水平的CO2推動循環向CO2轉化為乙酰輔酶A的方向進行。
如果CO2水平不夠高，將導致循環中乙酰輔酶A階段受阻。逆向氧化三羧酸循環和其他代謝途徑之間的主要聯系是丙酮酸分子，需CO2和乙酰輔酶A參與反應生成。這一反應就像在這個循環中同化CO2的其他兩個反應一樣，是可逆的，可以朝任一個方向進行。高濃度的CO2 ——通常表示為相對于所有現有氣體的總壓力而言較高的分壓——推動所有這三個反應向前進行。因此，只要檸檬酸合成酶催化的反應不遇瓶頸，整個途徑就被推向產生丙酮酸方向。大量檸檬酸合酶可以避免這一潛在的瓶頸，只要環境條件許可，細胞可持續利用高水平的CO2。
宏基因組學分析（微生物群落的基因組測序）表明，高CO2生態系統有多種環境，其中常駐微生物具有編碼逆向氧化三羧酸循環酶的基因。然而，單憑基因的存在并不能揭示細胞從哪個方向上利用這條通路，因為正如H. maritima這一精妙例子所示，環境能決定底物的流向。
Hippea maritima并不是已知的唯一具有反向代謝的細菌。另一個例子是在類似于支持H. maritima生長條件下（高二氧化碳和缺氧）的Thermacetogenium phaeum，不過后者在工業纖維素處理反應器中。如果環境中有充足的H2和CO2，T. phaeum就會利用這些物質來合成乙酸分子。然而，如果這些氣體不夠，而乙酸含量豐富，T. phaeum的主要代謝反應就會逆向進行，依靠將乙酸轉化為H2和CO2而生存。T. phaeum是如何做到這一點的還不得而知。微生物在特定環境中使用的基因是揭示微生物群落生命秘密的重要線索[6]。但是要真正理解支持微生物生命的化學反應，像Steffens等人所做的這類研究無可替代，這些研究在單個碳原子的基礎上向我們展示了細胞如何利用環境所提供的基質。
像H. maritima這樣的個別微生物，乃至整個生態系統，都可以利用H2與CO2反應所提供的能量生長。這不僅是個迷人的微生物生態學案例，也打開了一扇朝向遠古的窗，從中一窺與地球上最初微生物相似環境條件下的生長策略。二氧化碳是早期地球上可獲得的碳源，這些先驅微生物必須能夠以CO2為食才能生存。
然而二氧化碳只是這個故事的一半。為了將CO2轉化為有機物，微生物需要能量和電子來源。對于地球最初的生態系統和現在的H. maritima而言，H2為固定二氧化碳提供了化學能和電子。40億年以來，微生物一直依靠地殼不斷產生的大量H2提供的能量生存?？紤]到H. maritima在利用H2和CO2合成丙酮酸過程中的投入，似乎很難想象在酶協助碳固定反應之前，這一生化途徑就已經開始了。然而奇妙的是，如果提供海洋地殼中發現的那種簡單的金屬催化劑，H2和CO2可以在一夜之間形成丙酮酸，而不需要任何酶的參與。這表明地球上早期的新陳代謝建立在富含礦物質環境中CO2和H2之間自然發生的化學反應的基礎上。
因此，支撐H. maritima生活方式的化學反應，可以追溯到生活在滿是二氧化碳的世界里的最早的細胞。通過研究至今仍生活在這一環境中的細胞，我們可以發現一些關于最古老微生物先祖們生存方式和時代的線索。
