微生物如何轉換光能生存？

以色列理工學院（Technion）的研究人員發現，許多水生微生物的光能轉換機制比以往所知來得更加複雜。

植物透過光合作用將光轉換成它們可運用的能量模式：一種叫做三磷酸腺核苷（ATP）的分子。植物經由這個複雜的過程來產生氧氣以及往後可用來獲取能量的糖。

除了植物之外，一些生活在水體光照層中的細菌也能將光轉換為ATP，它們轉換的步驟比光合作用效率較低卻簡單。以色列理工學院（Technion - Israel Institute of Technology）的研究人員最近發現這個過程其實不像以往所知的那樣簡單和侷限。

視紫質（rhodopsins）是由光驅動的質子幫浦，細菌利用它來產生ATP。光合作用是一個涉及許多階段和蛋白質的過程，而視紫質則是自己完成一切。它並非較有效率，而是像中世紀的工廠和現代工廠之間的區別。視紫質由一種會吸收光線，並稱為「視網膜」的分子啟動。具體而言，這些蛋白質中的視網膜可吸收綠光，而另一種稱作類胡蘿蔔素的「天線」分子，則使視網膜也可以吸收藍光，增加視紫質可產生的能量。

可惜到目前為止，這類的「天線」只在兩個罕見的細菌物種中被發現，即使有一大半生活在海洋和湖泊表面的細菌都帶有視紫質基因。

對以色列理工學院生物系Oded Béjà教授實驗室的研究生Ariel Chazan來說，這是一道謎題；能吸收藍色光譜範圍內的光線對生存在水中的生物是具有優勢的，因為藍光能穿透到更深的水層中，且類胡蘿蔔素在自然界中也廣泛存在，即使周圍滿佈著絕佳利器，怎麼會沒有一個細菌會去使用它們？反之，Chazan假設許多細菌使用的天線系統尚未被發現，於是他邁向這個尋找之路。

在自己完全沒有頭緒的狀況下，該如何找到那個關鍵的分子呢？Chazan選擇了釣魚法。他從以色列加利利海（Lake Kinneret）收集湖水，並分離出已知視紫質的質子幫浦。接著他將這些質子幫浦作為誘餌，在同樣的湖水中找尋潛在的天線分子。他的目標就是那些附著於視紫質上並在藍光的照射下能增加能量輸出的分子。結果他發現了許多新的分子，發現許多科學家對於“是否與視紫質具有交互作用”並不熟悉的分子變異體，而微生物顯然是利用這些分子去接收它們周遭的光線以產生更多的能量。

假若只在以色列的加利利海發現有這樣分子大概就只是個小發現，但如果同樣的事情不斷地在世界各地的海洋中發生，那就是一項突破性的進展了。因此Chazan在海水中重複進行相同的實驗，他還努力證明了另一件事：就是他發現的視紫質-天線分子不僅在試管中有作用，並且在活細胞內也是如此，且所有的實驗都證明了這一點。

「這是關於地球上初級生產者的新知識：這些生物體從無機能源中生產可供生物使用的能量。其他生物體捕食這些生產者，得以使用已經存在於系統中的能量。因此，我們發現進入食物鏈的能量比以前所知的要多」，Chazan解釋了這個發現的重要性，科學界一致認為這項研究具有深遠的意義，科學期刊《自然》（Nature）最近刊登了這項研究。

這項工作是由國際團隊聯手完成，包括來自日本、西班牙和以色列的團隊。Chazan使用的「釣魚」方法是一種古老方法，幾乎是一種過時的方法。「當我提出這個方法時，人們有點懷疑」，他說。「但我喜歡用以前沒有使用過的方式應用現有技術。我們不應該因為我們的工具箱裡有更新、更閃亮的裝備而忘記舊有的工具。到野外去看看大自然給了我們什麼，這比坐在實驗室裡訂購乾淨工業化生產的工具和做一切實驗要花更多的精力。那些無菌的工具箱離我們想要研究的自然界更遠，而且在其中的過程中可能會迷失方向。」

資料來源：

https://www.technion.ac.il/en/2023/03/microbial-rhodopsin-carotenoid-antenna/