北极细菌利用丙酮途径捕获二氧化碳

据 nature.com 报道，在北冰洋表层水域发现的一种细菌似乎会将丙酮作为碳同化途径的一部分，同时吸收二氧化碳。这一发现揭示了一个光异养海洋种群中一种不同寻常的羧化形式，并表明这一过程可能帮助该生物扩大用于生长的物质来源。

研究人员在横跨北冰洋南北的调查中采集的宏基因组样本里发现了这一途径。他们将相关基因与一个 γ-变形菌种群——Porticoccus arcticus——联系起来。这种生物并非只被发现过一次：在一项基于16S核糖体RNA、历时多年的调查中，其遗传序列反复出现；在部分样本中，它们甚至占测得种群的9%。

这种反复出现表明，P. arcticus 在北极海洋生态系统中扮演着一种已确立的角色，而不是偶然出现在所采集的水域中。研究还考察了宏转录组，它们能够显示环境群落中哪些基因处于活跃状态。在这些数据中，丙酮羧化酶基因和若干视紫红质基因，在北极贫营养表层水域的 P. arcticus 基因中，表达量位居前列。

羧化的另一种用途

羧化酶是帮助将包括二氧化碳在内的无机碳连接到其他分子上的酶。这种化学过程通常与自养生物联系在一起，因为自养生物利用二氧化碳制造有机化合物。这项新研究拓展了这一认识，提出证据表明，羧化酶可以参与一种有机化合物——在本例中是丙酮——的分解和同化。

因此，这一拟议途径并不只是通常意义上的碳固定，而是将丙酮降解与二氧化碳吸收结合起来。对于生活在可利用营养物质有限的贫营养水域中的细菌而言，这种结合可能提供另一种生成细胞所需分子构件的方式。研究结论认为，丙酮羧化可能通过以无机碳补充有机碳代谢，增强光异养细菌的生物合成能力。

相关证据来自基因的分布和活性，而不是对完整途径进行的直接实验室验证。宏基因组显示，P. arcticus 携带相关遗传机制；宏转录组则显示，在所研究的自然环境中，丙酮羧化酶基因具有很高的活性。综合来看，这些观察结果将该途径与这种细菌在北极表层水域中的生存联系起来。

精简基因组与新增的光感知基因

P. arcticus 的基因组特征为这一发现增添了另一层意义。与近缘的 Porticoccus 生物相比，它拥有更紧凑、更精简的基因组。尽管基因组组成有所减少，它仍保留了完整的丙酮羧化基因组。

与此同时，这种细菌通过横向基因转移获得了多个蛋白视紫红质基因。研究将蛋白视紫红质视为该生物光相关遗传工具的一部分；而在表层水域中，视紫红质基因的强烈表达也表明，它们与丙酮羧化一样，都是该生物在那里开展的主要活动之一。

这一组合值得注意，因为它将同一种群中的两个特征结合起来：利用光相关视紫红质的基因，以及一种在处理丙酮的同时将二氧化碳引入代谢的途径。研究并未证明这两个系统会作为同一条生化序列运行，但它们在同一个北极种群中的高表达，凸显了这种生物独特的代谢特征。

北极记录为何重要

在长期开展的16S rRNA记录中反复检测到 P. arcticus，进一步增强了这一结果的生态学意义。若一种途径只在孤立的基因组片段中被发现，那么关于它对海洋的重要性，证据将十分有限。而在这里，这种生物持续存在于所采样的北极海洋群落中，有时还占据相对较高的比例。

因此，这项研究将丙酮羧化置于海洋碳循环的更广泛运行机制之中。羧化酶在自然界中早已占据核心地位，因为它们介导二氧化碳固定。有证据表明，一种海洋光异养生物能够在丙酮降解过程中利用羧化酶，这就增加了无机碳进入细胞物质的另一种可能途径。

据 nature.com 报道，这项研究发现了北极细菌中的一个代谢模块，可能帮助它们在贫营养表层水域中繁衍。它还表明，将基因组调查、环境基因表达数据和长期群落记录结合起来，能够揭示海洋中一种出人意料的碳处理形式。