古細菌揭曉無氧時代的生命奧秘

法蘭克福歌德大學的科學家們揭開了細胞呼吸中最古老酵素的運作機制，這項發現不僅讓我們更瞭解地球早期的生命形式，更為工業廢氣中的二氧化碳去除技術開啟了新的大門。

現今的動植物及多數生物體，皆透過吸入氧氣來氧化如糖類等化合物，將其轉化為二氧化碳和水，並在此過程中產生富含能量的ATP分子，為細胞提供動力。然而，在地球形成的初期，大氣中並不存在氧氣。研究顯示，即便在無氧環境下，某些古老的細菌仍能進行特殊形式的呼吸作用。這些微生物至今仍存活於深海熱泉等無氧生態系統中，它們能將二氧化碳和氫氣轉化為醋酸。

「我們發現，醋酸生成的過程會啟動一個精密的機制，將鈉離子從細菌細胞中泵出到外部環境，」歌德大學分子微生物學與生物能量學教授Volker Müller解釋道。這使得細胞內的鈉離子濃度降低，細胞膜就像一道阻擋離子的水壩。一旦這道「壩」開啟，鈉離子便會迴流至細胞內，驅動一種分子渦輪，進而產生ATP。

在這個過程中，一種名為Rnf複合體的蛋白質群扮演了關鍵角色。這些蛋白質主要嵌入細菌細胞的膜中，且極為敏感，直到幾年前才被成功分離出來。當二氧化碳與氫氣反應生成醋酸時，電子會從氫原子轉移到碳原子，而Rnf複合體則在其中擔任中介角色，負責接收並傳遞電子。

研究團隊利用冷凍電子顯微鏡技術，將Acetobacterium woodii細菌的Rnf複合體快速冷凍並滴落在載板上，形成一層薄冰膜。這層冰膜中包含了數百萬個Rnf複合體，研究人員得以透過電子顯微鏡觀察其結構。這些影像被整合成三維模型，讓科學家們能精確解析複合體的結構，特別是與電子傳遞相關的部分。

「我們發現，複合體的元件並非固定不動，而是動態地來回移動，這使得電子載體能夠跨越更長的距離，順利傳遞電子，」研究團隊成員Anuj Kumar解釋道。

至於電子流如何驅動鈉離子的外流？斯德哥爾摩大學Ville Kaila教授的研究團隊透過分子動力學模擬給出了初步答案。位於膜中央的鐵硫原子簇在接收電子後帶負電，吸引細胞內帶正電的鈉離子，就像磁鐵一樣。這種吸引力導致蛋白質圍繞鐵硫簇移動，形成一個通往膜外的開口，讓鈉離子得以釋放。

研究人員Jennifer Roth透過對Rnf蛋白進行特定基因改造，證實了這一過程。這項跨校合作的成果不僅揭示了全新的機制，更令人振奮的是，這些微生物在生成醋酸的過程中，還能吸收環境中的二氧化碳。這項特性有望應用於工業廢氣的溫室氣體去除，減緩氣候變遷，同時為化工產業提供有價值的原料。

「一旦我們瞭解細菌如何在過程中產生能量，便能進一步最佳化這一過程，生產更高品質的終端產品，」Müller教授充滿期待地表示。此外，這項發現也可能為針對類似呼吸酵素的病原體開發新藥物提供線索。

參考文獻：Anuj Kumar等人於2025年3月7日發表於《自然通訊》的論文〈古老Rnf機制的氧化還原耦合鈉泵分子原理〉，DOI: 10.1038/s41467-025-57375-8。