巨型熱液噴口管蟲Riftia pachyptila生活在東太平洋隆起帶嚴酷的深海環境中，陽光無法穿透，周圍環境以極端的溫度、令人頭骨碎裂的壓力和有毒化合物而聞名。 Riftia長到6 英尺高，有著深紅色的羽狀體，它沒有消化系統，而是靠著與生活在其身體深處的細菌建立共生關係來繁衍生息。這些數以億計的細菌將二氧化碳固定為糖，以維持自身和管蟲的生存。

對深海巨型管蟲Riftia pachyptila的研究表明，它的共生細菌如何利用兩種碳固定途徑來適應深海條件，這表明生物技術在碳捕獲方面具有應用潛力。

大多數自養型生物透過單一的碳固定途徑維持自身的生命，而Riftia 的化能自養型內生共生體卻擁有兩條功能性碳固定途徑：卡爾文-本森-巴塞爾循環（CBB ）和還原性三羧酸循環（rTCA）。科學家對這些途徑的許多情況一直很不了解，對它們的活動以及與其他代謝過程的整合了解有限。

哈佛大學有機與演化生物學系的研究人員對這兩種途徑的協調有了新的認識，揭示了使這些共生體在惡劣的熱液噴口條件下茁壯成長的複雜適應性。

在最近發表在《自然-微生物學》（Nature Microbiology）上的研究中，研究人員從東太平洋海隆收集了管圓線蟲，以研究這兩種功能途徑的調節和協調。透過在模擬自然環境的條件下（包括3000 PSI壓力和近乎有毒的硫水平）培養管圓線蟲，研究人員能夠測量淨碳固定率並檢查轉錄和新陳代謝反應。

“這篇論文確實是一次從研究活生物體、測量其代謝率，到直接將其與轉錄本聯繫起來的巡迴演唱會，這種方式使研究小組能夠表明，這些途徑很可能是並行運行的， “資深合著者、有機與演化生物學教授彼得-吉吉斯（Peter Girguis）說。 “這篇論文表明，雙重途徑受到環境條件的影響，在這兩種途徑的周圍還有其他代謝系統。”

這項研究由Girguis 實驗室的成員進行，包括Mitchell 和Jennifer Delaney，以及哈佛資訊學小組的Adam Freedman。

碳固定是將二氧化碳轉化為糖的過程，也是維持生物圈運作的主要過程。根據環境（包括可用的能量和碳源）的不同，生物進化出了不同的新陳代謝策略。光合生物（如植物）利用陽光提供能量，將二氧化碳和水轉化為葡萄糖和氧氣。在陽光照射不到的深海中，火山過熱的海水透過熱液噴口噴湧而出，Riftia pachyptila 的化能自養共生體利用硫化氫的能量固定碳，為蠕蟲的新陳代謝和生長提供燃料。透過仔細改變Riftia 的實驗條件，研究小組得以確定化學環境的變化如何影響其兩種碳途徑的協調。

第一作者、博士後學者傑西卡-米切爾（Jessica Mitchell）說：”這是對具有兩種碳固定途徑（rTCA 和CBB）的細菌進行的最深入的分析。這也是對熱液噴口共生進行的首次網絡分析，也是對雙碳固定途徑系統進行的首次網絡分析”。

透過網絡分析，研究小組發現了基因表現數據中的模式，並提供了該系統的全貌。分析確定了在維持和調節細胞內複雜的代謝反應網絡中發揮關鍵作用的代謝樞紐基因。

研究小組發現，rTCA 和CBB 循環的轉錄模式因不同的地球化學機製而顯著不同。研究發現，每種途徑都與特定的代謝過程有關。 rTCA 循環與氫化酶和硝酸還原溶解酶有關。這些酶對於在無氧條件下處理氫和硝酸鹽至關重要，這表明rTCA 循環在低能量條件下發揮關鍵作用。

相較之下，CBB 循環與硫化物氧化和同化硝酸鹽還原有關。在硫化物豐富的熱液噴口環境中，硫化物氧化是至關重要的過程。透過將CBB 循環與硫化物氧化聯繫起來，共生體可以有效地利用環境中的化學能來固定碳。

這項研究最令人感興趣的發現之一是這兩種途徑的互補性。在硫化物和氧氣有限的條件下，rTCA 循環似乎特別重要。 1e 族氫化酶的鑑定突顯了這一點，它與rTCA 循環一起，在對這種限制的生理反應中發揮著至關重要的作用。這種靈活性賦予了管圓線蟲極大的優勢，使其能夠在熱液噴口多變的條件下茁壯成長。

研究期間測得的淨碳固定率非常高，這使得長尾藻能夠在環境中快速生長和存活。碳固定的雙重途徑–每種途徑都針對不同的環境條件進行了最佳化–可能使共生體在環境變化過程中保持新陳代謝的穩定性。

對裂葉草中這些雙重碳固定途徑及其協調調控的分析，為生物碳捕獲和基礎生物化學研究開闢了新途徑。這些知識可實際應用於生物技術領域，利用這些途徑的原理開發更有效率的碳固定係統。此外，了解這些途徑是如何被調控的，還可以深入了解極端環境中代謝多樣性和適應性的演化。

米切爾說：「這項研究確實為今後的研究鋪平了道路，讓我們了解這些雙重途徑是如何使這種生物體固定這麼多碳的。”

編譯自/ ScitechDaily