深海喷口中的细菌如何应对有毒金属环境

想象深海时，我们通常会想到一片寒冷、黑暗和空旷的荒地，稀疏地居住着看起来像怪物的深海生物。但是在海底的裂缝中，被地球岩浆加热并富含来自地壳的矿物质的海水向上涌出，形成热液喷口，作为多样化和独特的海洋生态系统的绿洲。

为地球上大多数生命提供动力的阳光无法穿透这些广阔的深处。相反，这里的生物，如管虫、螃蟹和贻贝，都依赖细菌，它们可以从喷口释放的化合物中捕获化学能。

现在，冲绳科学技术研究所(OIST)的一组研究人员与日本海洋地球科学技术机构(JAMSTEC)合作，确定了细菌如何适应热液喷口释放的有毒金属。他们的发现发表在《环境微生物学》杂志上。

“热液喷口可能是地球上发现的最极端的环境，具有高压、高温、无氧和大量有毒金属，”海洋生物物理学部前博士后研究员AngelaAres博士说(SatoshiMitarai教授))在OIST和该研究的第一作者。“细菌是令人惊奇的生物，并且已经设法适应了如此具有挑战性的条件。了解它们如何成功可能会带来真正重要的应用，例如用于清理泄漏到环境中的有毒金属的新解决方案。”

在这项研究中，Ares博士和她的同事专注于Nitratiruptorsp.的金属耐受性策略。SB155-2。这种细菌是从冲绳海槽的喷口分离出来的，经过培养后由JAMSTEC提供给OIST。

总的来说，细菌可以通过三种主要方式处理有毒金属。一种方法是不断将细胞内的金属离子泵回周围环境。另一种策略是将有毒金属隔离在细胞内的颗粒中，这样它们就不会干扰细菌的代谢反应。最后，细菌可以制造和释放酶，使金属在细胞外结晶或沉淀成无毒化合物。

研究人员寻找细菌响应这些喷口中常见的两种不同金属(镉和铜)的策略的异同。

“这两种金属即使在低浓度下也是有毒的，但有一个关键的区别——细菌需要微量的铜，而镉没有已知的生物学功能，”Ares博士解释说。“因此，我们预计细菌对铜的反应可能比对镉的反应更复杂，因此可以密切调节铜的浓度。”

研究人员首先确定了细菌在停止生长之前可以耐受的每种金属的最高浓度。然后，研究小组将用这些水平的有毒金属培养的细菌与没有用有毒金属培养的细菌进行比较，看看哪些基因或多或少活跃，哪些蛋白质或多或少丰富。

研究人员发现，细菌使用转运蛋白作为一种通用的非特异性策略，将镉和铜从细胞中泵出。然而，细菌对这两种金属的反应也存在明显差异。

深海热液喷口细菌具有含镉颗粒(光点)，当暴露于高浓度有毒金属镉时，这些颗粒会变得更大、更丰富。学分：OIST

“对于铜，我们发现涉及更多数量的与运输泵相关的基因，以及涉及其他压力相关途径的基因。这表明对铜的反应确实更加复杂，可以微调铜浓度，”阿瑞斯博士说。

另一方面，细菌也使用对铜未见的方法对镉做出反应。最令人惊讶的反应之一是参与鞭毛形成和趋化性(响应化学信号的运动)的基因活性增加。

“测量基因表达是一回事，但眼见为实，因此我们使用扫描电子显微镜检查了细菌，”Ares博士说。“令人惊讶的是，接触镉的细菌确实比我们的非应激细菌更有可能有鞭毛。”

鞭毛有助于推动周围的细菌，因此一种可能的解释是，当镉含量过高时，受到压力的细菌会试图转移到更有利的环境。趋化性也在这里发挥作用，因为细菌远离或靠近特定的化学线索以找到更好的生长条件，而不是随机移动。

OIST最先进的电子显微镜还允许该团队检测细菌细胞壁外部沉淀物硫酸镉的积聚。研究人员还发现，细菌中也含有镉的颗粒变得更大、更丰富。

“看到细菌使用这些方法来解毒镉真的很令人兴奋，因为它为科学家们提供了一条新途径来探索在不依赖碳密集型方法的情况下清理重金属，”Ares博士说。