متابولیسم میکروبی

متابولیسم میکروبی شامل تنوع فوق‌العاده‌ای از روش‌هایی است که میکروارگانیسم‌ها از طریق آن‌ها انرژی و کربن به دست می‌آورند، از تنفس و تخمیر آشنا گرفته تا شیمی‌سنگ‌خواری (chemolithotrophy) و فتوسنتز که تقریباً منحصراً در پروکاریوت‌ها یافت می‌شود.

Definition

متابولیسم میکروبی مجموع فرآیندهای بیوشیمیایی است که میکروارگانیسم‌ها از طریق آن‌ها انرژی و بلوک‌های سازنده را از محیط خود به دست می‌آورند، شامل واکنش‌های کاتابولیکی که انرژی را حفظ می‌کنند و واکنش‌های آنابولیکی که مواد سلولی را می‌سازند.

Scope

این حوزه اصول بیوانرژتیک حفظ انرژی، شامل فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا و فسفوریلاسیون اکسیداتیو و نیروی محرکه پروتونی را پوشش می‌دهد؛ تنفس هوازی و تنوع تنفس‌های بی‌هوازی با استفاده از پذیرنده‌های الکترون جایگزین؛ مسیرهای تخمیر؛ شیمی‌سنگ‌خواری که در آن ترکیبات معدنی به عنوان منابع انرژی عمل می‌کنند؛ تثبیت کربن اتوتروفیک؛ و اشکال مختلف فتوسنتز میکروبی. این حوزه میکروارگانیسم‌ها را به عنوان متنوع‌ترین موجودات از نظر متابولیکی و به عنوان محرک‌های چرخه‌های بیوژئوشیمیایی معرفی می‌کند.

Sub-topics

• شیمی‌سنگ‌پروردگی و خودپروردگی
• تخمیر و تنفس بی‌هوازی
• بیوانرژتیک میکروبی
• فتوسنتز میکروبی

Core questions

• میکروارگانیسم‌ها از چه منابع انرژی و کربنی می‌توانند بهره‌برداری کنند؟
• انرژی چگونه در طول تنفس، تخمیر و فتوسنتز حفظ می‌شود؟
• کدام دهندگان و پذیرنده‌های الکترون، سبک‌های اصلی متابولیکی را تعریف می‌کنند؟
• تنوع متابولیکی میکروبی چگونه چرخه‌های عنصری را در طبیعت به حرکت درمی‌آورد؟

Key theories

نظریه شیمی‌اسمتیک

سلول‌ها با استفاده از انتقال الکترون برای پمپ کردن پروتون‌ها از عرض یک غشاء، انرژی را حفظ می‌کنند و نیروی محرکه پروتونی ایجاد می‌کنند که سنتز ATP را به حرکت درمی‌آورد؛ این نظریه انرژی‌زایی تنفس و فتوسنتز را در سراسر سبک‌های زندگی میکروبی یکپارچه می‌کند.

تنوع متابولیکی پروکاریوت‌ها

پروکاریوت‌ها به طور جمعی از طیف وسیعی از منابع انرژی و کربن، از جمله دهندگان الکترون معدنی و پذیرنده‌های الکترون متنوع بهره‌برداری می‌کنند، که به آن‌ها قابلیت‌های متابولیکی می‌دهد که در یوکاریوت‌ها وجود ندارد و نقش‌های مرکزی در چرخه‌های بیوژئوشیمیایی ایفا می‌کنند.

Mechanisms

مسیرهای کاتابولیکی انرژی را از سوبستراها یا از طریق فسفوریلاسیون در سطح سوبسترا یا از طریق انتقال الکترون که نیروی محرکه پروتونی را ایجاد می‌کند و توسط ATP سنتاز استفاده می‌شود، استخراج می‌کنند. ماهیت دهنده الکترون (آلی یا معدنی) و پذیرنده نهایی الکترون (اکسیژن یا جایگزین‌هایی مانند نیترات، سولفات یا دی‌اکسید کربن) حالت متابولیکی را تعریف می‌کند. اتوتروف‌ها کربن معدنی را با استفاده از انرژی نور یا اکسیداسیون‌های شیمیایی تثبیت می‌کنند، در حالی که تخمیرکننده‌ها انرژی را بدون پذیرنده الکترون خارجی حفظ می‌کنند.

Clinical relevance

تنوع متابولیکی میکروبی زیربنای چرخه جهانی کربن، نیتروژن و گوگرد است، از تخمیر صنعتی و تولید سوخت‌های زیستی حمایت می‌کند و توضیح می‌دهد که چگونه میکروارگانیسم‌ها در محیط‌هایی که برای سایر اشکال حیات غیرقابل دسترس هستند، رشد می‌کنند، و متابولیسم را به بنیادی برای میکروبیولوژی محیطی و کاربردی تبدیل می‌کند.

History

مطالعه متابولیسم میکروبی از کشف شیمی‌سنگ‌خواری توسط وینوگرادسکی در قرن نوزدهم و مطالعات مقایسه‌ای فتوسنتز توسط ون نیل تا نظریه شیمی‌اسمتیک پیتر میچل در دهه ۱۹۶۰ رشد کرد، که مکانیسم یکپارچه‌ای برای حفظ انرژی در سراسر طیف متابولیکی ارائه داد.

Key figures

• Peter Mitchell
• Sergei Winogradsky
• Cornelis van Niel

Seminal works

• madigan2018
• willey2020
• mitchell1966

Frequently asked questions

چرا میکروارگانیسم‌ها متنوع‌ترین موجودات از نظر متابولیکی در نظر گرفته می‌شوند؟

میکروارگانیسم‌ها می‌توانند از طیف وسیعی از منابع انرژی، از جمله نور، ترکیبات آلی و مواد شیمیایی معدنی استفاده کنند و می‌توانند با استفاده از پذیرنده‌های الکترون مختلف تنفس کنند. برخی از این قابلیت‌ها، مانند شیمی‌سنگ‌خواری و چندین شکل از تنفس بی‌هوازی، فقط در پروکاریوت‌ها یافت می‌شوند.

نیروی محرکه پروتونی چیست؟

نیروی محرکه پروتونی یک گرادیان الکتروشیمیایی پروتون‌ها در عرض یک غشاء است که توسط انتقال الکترون ایجاد می‌شود. سلول‌ها از آن برای به حرکت درآوردن سنتز ATP، انتقال و حرکت استفاده می‌کنند و این نیرو در حفظ انرژی در تنفس و فتوسنتز مرکزی است.