Các thành viên trong nhóm đã trải qua một quá trình xác định tăng dần những yếu tố và phân tử mà chủng vi khuẩn có thể phát triển. Họ đã biết rằng nó có thể sử dụng oxy, vì vậy họ đã thử nghiệm các kết hợp khác trong phòng thí nghiệm. Khi oxy không có, RSW1 có thể xử lý khí hydro và các trường hợp lưu huỳnh nguyên tố, nó sẽ tìm thấy sự phun ra từ một lỗ thông hơi núi lửa và tạo ra hydro sunfua như một sản phẩm. Tuy nhiên, trong khi các tế bào còn sống về mặt kỹ thuật ở trạng thái này, chúng không phát triển hoặc sao chép. Họ đã tạo ra một lượng nhỏ năng lượng, chỉ đủ để sống, không có gì nữa. Các tế bào chỉ ngồi đó quay bánh xe của nó mà không nhận được bất kỳ sự trao đổi chất hoặc sinh khối thực sự nào từ nó, ông Boy Boyd nói.
Sau đó, nhóm đã thêm oxy trở lại vào hỗn hợp. Đúng như dự đoán, vi khuẩn phát triển nhanh hơn. Nhưng, trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, RSW1 cũng vẫn sản xuất khí hydro sunfua, như thể nó là hô hấp kỵ khí. Trên thực tế, các vi khuẩn dường như đang thở cả về mặt khí cầu và kỵ khí cùng một lúc, và được hưởng lợi từ năng lượng của cả hai quá trình. Hô hấp kép này đã đi xa hơn các báo cáo trước đó: tế bào không chỉ tạo ra sunfua với sự hiện diện của oxy mà còn thực hiện cả hai quá trình mâu thuẫn cùng một lúc. Vi khuẩn chỉ đơn giản là không thể làm điều đó.
Điều đó đặt chúng ta xuống con đường này ‘OK, cái quái gì đang thực sự xảy ra ở đây?’
Thở hai cách
RSW1 dường như có quá trình chuyển hóa lai, chạy chế độ dựa trên lưu huỳnh kỵ khí đồng thời nó chạy một chế độ hiếu khí bằng oxy.
Ranjani Murali, một nhà vi trùng học môi trường tại Đại học Nevada, Las Vegas, người không tham gia nghiên cứu này rất độc đáo. Thông thường khi các sinh vật kỵ khí tiếp xúc với oxy, các phân tử gây tổn hại được gọi là các hợp chất oxy phản ứng tạo ra căng thẳng, cô nói. Vì điều đó không xảy ra là thực sự thú vị.
Ở phía tây mùa xuân nhiệt (trái) trong Công viên quốc gia Yellowstone, các nhà nghiên cứu đã phân lập được một vi khuẩn bất thường từ màng sinh học màu xám (phải).Ảnh: Eric Boyd; Tạp chí Quanta
Nhóm của Boyd đã quan sát thấy rằng vi khuẩn phát triển tốt nhất khi chạy cả hai quá trình trao đổi chất. Nó có thể là một lợi thế trong môi trường độc đáo của nó: oxy không được phân phối đều ở suối nước nóng giống như những nơi mà RSW1 sống. Trong điều kiện thay đổi liên tục, nơi bạn có thể được tắm trong oxy chỉ một khoảnh khắc để nó biến mất, phòng ngừa các cược trao đổi chất của một người có thể là một đặc điểm thích ứng cao.
Các vi khuẩn khác đã được quan sát thấy thở theo hai cách cùng một lúc: kỵ khí với nitrat và aerob bằng oxy. Nhưng các quá trình đó sử dụng các con đường hóa học hoàn toàn khác nhau và khi kết hợp với nhau, chúng có xu hướng trình bày một chi phí năng lượng cho các vi khuẩn. Ngược lại, chuyển hóa oxy/oxy lai của RSW1 làm tăng các tế bào thay vì kéo chúng xuống.
Loại hô hấp kép này có thể đã trốn tránh phát hiện cho đến bây giờ vì nó được coi là không thể. Bạn thực sự không có lý do gì để xem xét một thứ như thế này, Boyd nói. Ngoài ra, oxy và sulfide phản ứng với nhau một cách nhanh chóng; Trừ khi bạn đang theo dõi Sulfide như một sản phẩm phụ, bạn có thể bỏ lỡ nó hoàn toàn, ông nói thêm.
Trên thực tế, có thể các vi khuẩn với sự trao đổi chất kép là phổ biến, Murali nói. Cô chỉ ra nhiều môi trường sống và sinh vật tồn tại ở độ dốc khó khăn giữa các khu vực giàu oxy và không có oxy. Một ví dụ là trong các trầm tích ngập nước, có thể chứa vi khuẩn cáp. Các vi khuẩn thon dài này tự định hướng theo cách mà một đầu của cơ thể có thể sử dụng hô hấp hiếu khí trong nước oxy trong khi đầu kia bị chôn sâu trong trầm tích anoxic và sử dụng hô hấp kỵ khí. Vi khuẩn cáp phát triển mạnh trong phân vùng bấp bênh của chúng bằng cách tách các quá trình hiếu khí và kỵ khí của chúng. Nhưng RSW1 dường như đa nhiệm trong khi lao vào mùa xuân rầm rộ.
Vẫn chưa biết làm thế nào vi khuẩn RSW1 quản lý để bảo vệ máy móc kỵ khí của chúng khỏi oxy. Murali suy đoán rằng các tế bào có thể tạo ra các siêu mảng hóa học trong chính chúng có thể bao quanh, cô lập và nhặt rác oxy, cô nói rằng sử dụng nó một cách nhanh chóng khi chúng gặp phải vì vậy không có cơ hội để khí can thiệp vào hơi thở dựa trên lưu huỳnh.
RSW1 và bất kỳ vi khuẩn nào khác có sự trao đổi chất kép tạo ra các mô hình hấp dẫn về cách sống của vi sinh vật có thể đã phát triển trong sự kiện oxy hóa lớn, Boyd nói. Đó phải là một thời gian khá hỗn loạn cho các vi khuẩn trên hành tinh này, ông nói. Khi một giọt oxy chảy chậm vào khí quyển và biển, bất kỳ dạng sống nào cũng có thể xử lý một bàn chải thường xuyên với khí mới, độc hại hoặc thậm chí sử dụng nó để có lợi ích năng lượng của nó có thể có lợi thế. Trong thời gian chuyển đổi đó, hai quá trình trao đổi chất có thể tốt hơn một.
Câu chuyện gốc In lại với sự cho phép của Tạp chí Quanta, một ấn phẩm độc lập về mặt biên tập của Simons Foundation Nhiệm vụ của họ là tăng cường sự hiểu biết công khai về khoa học bằng cách bao gồm các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và khoa học vật lý và cuộc sống.