巨型深海通气管虫共生体使用两种碳固定途径以创纪录的速度生长

在东太平洋海隆的深海环境中，阳光无法穿透，周围环境以其极端温度、颅骨挤压压力和有毒化合物而闻名，生活着巨大的热液喷口管虫Riftia pachyptila。里夫蒂亚长到6英尺高，有一根深红色的羽毛，它没有消化系统，但依靠与生活在体内深处的细菌的共生关系而茁壮成长。这些数十亿的细菌将二氧化碳固定在糖上，以维持自身和管虫的生存

与大多数自养生物不同，它们通过单一的固碳途径维持自身，Riftia的化学自养内共生体具有两种功能性固碳途径。对于科学家来说，这些途径在很大程度上是个谜，他们对它们的活动以及与其他代谢过程的整合了解有限

新的研究揭示了这两种途径，即Calvin Benson&ndash；Bassham（CBB）和还原性三羧酸（rTCA）循环是协调的，揭示了一种复杂的适应，使这些共生体能够在其动态和恶劣的环境中茁壮成长。在这项发表在《自然微生物学》上的研究中，哈佛大学生物与进化生物学系的一组科学家收集了东太平洋海隆的管虫，以研究这两种功能途径的调节和协调

通过在模拟其自然环境的条件下孵化管虫&mdash；包括3000 PSI的压力和接近有毒水平的硫&mdash；研究人员能够测量净碳固定率，并检查转录和代谢反应

高级合著者、生物与进化生物学教授Peter Girguis说：“这篇论文实际上是一次从研究活生物体到测量其代谢率，再到将其直接与转录物结合的旅行，使研究团队能够证明这些途径很可能是并行的。”。“这篇论文表明，双途径受到环境条件的影响，并且在这两种途径的轨道上都有其他代谢系统。”

这项研究是由Girguis实验室的成员进行的，包括Mitchell和Jennifer Delaney，以及哈佛信息学小组的Adam Freedman

固碳是将二氧化碳转化为糖的过程，也是维持生物圈运转的主要过程。根据环境的不同，包括可用的能源和碳源，生物体进化出了不同的代谢策略。像植物一样，光合生物利用阳光提供能量，将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气

在深海中，在阳光照射不到的地方，但火山过热的水正从热液喷口喷涌而出，厚翅龙的化学自养共生体利用硫化氢的能量固定碳，为蠕虫的新陈代谢和生长提供燃料。通过仔细改变Riftia的实验条件，该团队能够确定化学环境变化如何影响其两种碳途径的协调

“这是对具有两种碳固定途径rTCA和CBB的细菌最深入的分析，”首席作者兼博士后学者Jessica Mitchell说。“这也是对热液喷口共生关系进行的第一次网络分析，也是对双碳固定途径系统进行的第一个网络分析。”

网络分析使团队能够发现基因表达数据中的模式，并提供该系统的更大画面。该分析确定了在维持和调节细胞内复杂的代谢反应网络中发挥关键作用的代谢枢纽基因

在代谢功能中的不同作用

研究小组发现，rTCA和CBB循环的转录模式因不同的地球化学机制而显著变化。研究发现，每条途径都与特定的代谢过程有关。rTCA循环与氢化酶和异化硝酸盐还原有关。这些酶对于在无氧条件下处理氢气和硝酸盐至关重要，这表明rTCA循环在低能量条件下起着关键作用

相反，CBB循环与硫化物氧化和同化硝酸盐还原有关。硫化物氧化是富含硫化物的热液喷口化学物质环境中的一个重要过程。通过将CBB循环与硫化物氧化联系起来，共生体可以有效地利用环境中的化学能来固定碳

这项研究最有趣的发现之一是这两种途径的互补性。在硫化物和氧气受到限制的条件下，rTCA循环似乎特别重要。1e族氢化酶的鉴定突出了这一点，该酶与rTCA循环一起，在对这些限制的生理反应中起着至关重要的作用。这种灵活性带来了一个显著的优势，使管虫能够在热液喷口高度多变的条件下茁壮成长

研究期间测得的净固碳率非常高，这使得厚壁Riftia能够在其环境中快速生长和存活。碳固定的双重途径&mdash；每个都针对不同的环境条件进行了优化&mdash；可以允许共生体在环境变化期间保持代谢稳定性

对Riftia中这些双碳固定途径及其协调调节的分析为生物碳捕获和基础生物化学的研究开辟了新的途径。这些知识可以在生物技术中有实际应用，可以利用这些途径的原理开发更有效的碳固定系统。此外，了解这些途径是如何被调节的，可以深入了解极端环境中代谢多样性和适应的演变