逆向TCA循环，提示地球上早期生命线索

　　深海热液喷口能够释放大量二氧化碳，生活在那里的微生物成为了代谢适应的绝佳例子。这一代谢途径为极端环境中的微生物生态学带来了启示，提示了地球上早期生命的线索。

　　很少有化学物质能像二氧化碳（CO₂）一样频繁上头条，让自己的分子式广为人知。二氧化碳对于理解气候变化至关重要，以至于我们觉得CO₂是个未来威胁。但对于大多数微生物来说，二氧化碳看起来更像是一顿大餐，而不是威胁。微生物特有的方式（二氧化碳固定途径）使其细胞能吸收二氧化碳。这些途径是生命必需的，因为地球上所有的生态系统，最终依赖着那些能利用二氧化碳合成有机物质的细胞。在发表于《自然》的一篇文章中，Steffens等人揭示了一条精妙途径的关键细节，该途径使细菌能在被CO₂为主的气体所包围的热液环境中茁壮成长。

　　Steffens和他的同事研究了细菌Hippea maritima。这些微生物不喜欢氧气，偏好接近60°C的高温，并从氢气（H₂）与硫的反应中获取能量，生成硫化氢（H₂S）。和所有的生命形式一样，它们需要碳源来生长。而且它们可选的资源也取决于环境里有什么。如果周围存在丰富的蛋白质，H. maritima便会将其加以利用，作为材料纳入其生长所需的代谢过程。

　　但是，如果H. maritima在40%的CO2浓度下生长(比大气中的CO₂浓度高1000倍)，它们会进行某种“化学工程改造”，从而利用逆向氧化三羧酸循环的通路。这听起来可能很复杂，但实际上与我们所熟悉的人类营养学类似。我们吃的食物在肠道中分解后，细胞会通过一种叫做三羧酸(TCA)循环的途径将食物中所含的糖、脂肪和蛋白质转化为能量和二氧化碳。这一过程也被称为克雷布斯循环（Krebs cycle），以发现此过程的科学家命名。几乎所有的生命形式都利用三羧酸循环，但在一些细菌中这一过程可以反向进行，而这种反向过程，即逆向氧化三羧酸循环(图1)，在能量参与下能将CO₂转化为氨基酸、糖类和脂类。

　　图1 | 逆向氧化TCA循环。几乎所有生命形式都利用三羧酸循环，经由丙酮酸、草酰乙酸、2-酮戊二酸、柠檬酸和乙酰辅酶A（acetyl-CoA）等物质将氨基酸、糖和脂类分子转化为能量和CO₂。有些细菌能以相反的方向进行这个循环（称为逆向氧化三羧酸循环），将CO₂ 和氢（H₂）结合形成氨基酸、糖和脂类分子。Steffens等人使用了追踪标记碳原子等方法，揭示了使Hippea maritima 细菌逆向进行TCA循环的机制。作者指出，高水平的柠檬酸合酶是途径逆转的关键。

　　此前，什么使三羧酸循环在特定的生长条件下逆向运行一直是个谜。Steffens等人指出，H. maritima的秘诀是以一种意想不到的方式调整一种关键酶的水平，以便在遇到高浓度的CO₂之前做好同化的准备。这在微生物的环境和代谢之间产生了一种巧妙的和谐。

　　当高浓度的二氧化碳存在时，H. maritima可利用逆向氧化三羧酸循环，这正是Steffens和同事们所采用研究技术的高明之处。研究人员给这些细菌供给氨基酸和标记有碳-13（13C）同位素的二氧化碳。这两种食物来源都会进入逆向氧化三羧酸循环。作者在生长的细胞中追踪13C在这一途径中间产物中的积累，即能揭示细胞在这一途径以何种路径使用了哪种碳源，也使他们能够确定碳同化时逆向氧化三羧酸循环完整发生了多少次。

　　以上研究表明，H. maritima能够优先使用CO₂作为碳源，但仅限于CO₂供应充足的情况下。为了使三羧酸循环在高浓度CO₂的作用下逆向运行，细胞中含有大量的柠檬酸合成酶。高水平的柠檬酸合成酶使乙酰辅酶A（acetyl-CoA）分子更易产生，后者形成丙酮酸而退出逆向氧化三羧酸循环，而丙酮酸进一步被转化为脂质、糖和氨基酸（图1）。这反过来又促使CO₂进入循环。通过这种方式，环境中高水平的CO₂推动循环向CO₂转化为乙酰辅酶A的方向进行。

　　如果CO₂水平不够高，将导致循环中乙酰辅酶A阶段受阻。逆向氧化三羧酸循环和其他代谢途径之间的主要联系是丙酮酸分子，需CO₂和乙酰辅酶A参与反应生成。这一反应就像在这个循环中同化CO₂的其他两个反应一样，是可逆的，可以朝任一个方向进行。高浓度的CO₂ ——通常表示为相对于所有现有气体的总压力而言较高的分压——推动所有这三个反应向前进行。因此，只要柠檬酸合成酶催化的反应不遇瓶颈，整个途径就被推向产生丙酮酸方向。大量柠檬酸合酶可以避免这一潜在的瓶颈，只要环境条件许可，细胞可持续利用高水平的CO₂。

　　宏基因组学分析（微生物群落的基因组测序）表明，高CO₂生态系统有多种环境，其中常驻微生物具有编码逆向氧化三羧酸循环酶的基因。然而，单凭基因的存在并不能揭示细胞从哪个方向上利用这条通路，因为正如H. maritima这一精妙例子所示，环境能决定底物的流向。

　　Hippea maritima并不是已知的唯一具有反向代谢的细菌。另一个例子是在类似于支持H. maritima生长条件下（高二氧化碳和缺氧）的Thermacetogenium phaeum，不过后者在工业纤维素处理反应器中。如果环境中有充足的H₂和CO₂，T. phaeum就会利用这些物质来合成乙酸分子。然而，如果这些气体不够，而乙酸含量丰富，T. phaeum的主要代谢反应就会逆向进行，依靠将乙酸转化为H₂和CO₂而生存。T. phaeum是如何做到这一点的还不得而知。微生物在特定环境中使用的基因是揭示微生物群落生命秘密的重要线索[6]。但是要真正理解支持微生物生命的化学反应，像Steffens等人所做的这类研究无可替代，这些研究在单个碳原子的基础上向我们展示了细胞如何利用环境所提供的基质。

　　像H. maritima这样的个别微生物，乃至整个生态系统，都可以利用H2与CO2反应所提供的能量生长。这不仅是个迷人的微生物生态学案例，也打开了一扇朝向远古的窗，从中一窥与地球上最初微生物相似环境条件下的生长策略。二氧化碳是早期地球上可获得的碳源，这些先驱微生物必须能够以CO₂为食才能生存。

　　然而二氧化碳只是这个故事的一半。为了将CO₂转化为有机物，微生物需要能量和电子来源。对于地球最初的生态系统和现在的H. maritima而言，H₂为固定二氧化碳提供了化学能和电子。40亿年以来，微生物一直依靠地壳不断产生的大量H2提供的能量生存。考虑到H. maritima在利用H2和CO2合成丙酮酸过程中的投入，似乎很难想象在酶协助碳固定反应之前，这一生化途径就已经开始了。然而奇妙的是，如果提供海洋地壳中发现的那种简单的金属催化剂，H2和CO2可以在一夜之间形成丙酮酸，而不需要任何酶的参与。这表明地球上早期的新陈代谢建立在富含矿物质环境中CO₂和H₂之间自然发生的化学反应的基础上。

　　因此，支撑H. maritima生活方式的化学反应，可以追溯到生活在满是二氧化碳的世界里的最早的细胞。通过研究至今仍生活在这一环境中的细胞，我们可以发现一些关于最古老微生物先祖们生存方式和时代的线索。