معلومة

تجمعات البكتيريا الزرقاء كأحواض الكربون

تجمعات البكتيريا الزرقاء كأحواض الكربون


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

وفقًا لبعض العلماء ، في وقت ما من تاريخ هذا الكوكب ، كادت البكتيريا الزرقاء أن تدفع الحياة إلى الانقراض عن طريق تحويلها إلى كرة ثلجية حيث احتجزوا كميات هائلة من الكربون وحبسوه.

نواجه اليوم تحديًا مختلفًا حيث يوجد لدينا فائض من ثاني أكسيد الكربون (وغيره من غازات الدفيئة) في الغلاف الجوي مما يؤدي إلى كوكب أكثر دفئًا مما يهدد سكانه الحاليين.

بصفتي شخصًا درس الفيزياء التطبيقية ، لدي القليل جدًا من الفهم لكيفية عمل البيولوجيا الخلوية والجزيئية. ولكن هل هو حل قابل للتطبيق لبناء أحواض اصطناعية للبكتيريا الزرقاء في بيئات خاضعة للرقابة في أماكن مختلفة على الكوكب لالتقاط هذا الفائض من ثاني أكسيد الكربون؟ إذا لم يكن كذلك فما الذي يمنعنا؟

يمكنني التفكير في بعض التحديات:

  1. نظرًا لأن البكتيريا الزرقاء تحتاج إلى ضوء الشمس لالتقاط الكربون ، لذا فإن التفاعل سيقتصر على السطح حيث سيكون لدينا معظم ضوء الشمس. ولكن يمكن للمرء تحسين الكفاءة عن طريق بناء الأعمدة التي تحتوي على مصادر ضوء مدمجة (باستخدام الطاقة الشمسية / الطاقة المتجددة فقط) في نقاط مختلفة داخل.
  2. صيانة هذه البرك / الأعمدة.
  3. نموذج اقتصادي لجعل هذا المشروع مربحًا للشركات. هل يمكن بيع المنتجات النهائية التي تنتجها هذه البكتيريا مقابل المال؟ هل يمكن أن تعمل كعنصر في بعض ردود الفعل الأخرى (المربحة)؟

أفضل تجمع للبكتيريا الزرقاء هو محيط العالم.

لا يمكن لأي شخص ، ولا قدر من استثمار رأس المال الاستثماري ، ولا مجلس إدارة ، ولا مدير تنفيذي ، ولا مدير مالي ، ولا مدير عام ، وما إلى ذلك ، إنشاء ما يعادل المحيط العالمي.


تجمعات البكتيريا الزرقاء كأحواض الكربون - علم الأحياء

في هذا العصر من "الكوكب الأخضر" ، يتم وضع البكتيريا الزرقاء بشكل مثالي للاستغلال كمصانع للخلايا الميكروبية ، سواء لالتقاط الكربون وتخزينه وللإنتاج المستدام للأيضات الثانوية والوقود الحيوي. أسفر تطبيق تقنيات omics على أبحاث البكتيريا الزرقاء عن ثروة من المعلومات الجديدة. ومع ذلك ، بالنسبة للباحثين المشغولين اليوم ، فإن البحث في الأدبيات لمواكبة التطورات الحالية يمكن أن يكون مضيعة للوقت للغاية. من خلال تجميع وتلخيص أهم الموضوعات المتعلقة بالبكتيريا الزرقاء والتلاعب بها ، يقدم مؤلفو هذا الكتاب للقارئ نظرة عامة على هذا المجال في الوقت المناسب.

الموضوعات التي تمت تغطيتها: الجينوم الأساسي للبكتيريا الزرقاء مع التركيز على المستقلبات الثانوية جينوم تطور البكتيريا الزرقاء لمجموعات الجينات التخليقية الحيوية NRPS / PKS تحليل نسبي قائم على RNA-seq لنسخة الخلايا الزرقاء من الاستجابات: الجينات ، وأجهزة الاستشعار ، والمشغلات الجزيئية التحليل النسخي والبروتيوني من الدورات اليومية في تحديد النيتروجين البكتيريا الزرقاء التحليل البروتيني بعد التعديلات متعدية الهندسة الأيضية وبيولوجيا الأنظمة لإنتاج الأحماض الدهنية الحرة إنتاج الأيزوبرين إنتاج الإيثانول: تأثير omics للكائن النموذج متزامن في هندسة تحسين الغلة لإنتاج الألكان متعدد الهيدروكسيل الضوئي ذو التغذية الضوئية.

سيكون هذا النص المتطور بمثابة مصدر قيم لجميع العاملين في هذا المجال ويوصى به لجميع مكتبات علم الأحياء الدقيقة.

"بعض الفصول مكتوبة جيدًا وغنية بالمعلومات. وبالتالي ، يعد الكتاب كنزًا من المعلومات القيمة" من Biospektrum (2017)

(EAN: 9781910190555 9781910190562 الموضوعات: [علم الجراثيم] [علم الأحياء الدقيقة البيئية])


تجمعات البكتيريا الزرقاء كأحواض الكربون - علم الأحياء


من أجل فهم كيفية تدوير الكربون وكيف سيتغير ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في المستقبل ، يجب على العلماء دراسة الأماكن التي يتم فيها تخزين الكربون (البرك) بعناية ، ومدة تواجده هناك ، والعمليات التي تنقله من حوض إلى آخر ( تدفقات). بشكل جماعي ، تشكل جميع المجمعات الرئيسية وتدفق الكربون على الأرض ما نشير إليه بدورة الكربون العالمية.

كما قد تتخيل ، فإن دورة الكربون العالمية الفعلية معقدة للغاية. يشمل كل نبات وحيوان وميكروب ، كل ورقة من أوراق الأشجار المتساقطة ، وكل محيط ، وبحيرة ، وبركة وبركة ، وكل تربة ، ورواسب ، وصخور كربونية ، وكل نفس من الهواء النقي ، وثوران بركاني ، وفقاعات تصعد إلى سطح المستنقع. ، من بين أشياء كثيرة أخرى. نظرًا لعدم قدرتنا على التعامل مع هذا المستوى من التعقيد ، غالبًا ما يصف العلماء دورة الكربون عن طريق تجميع أجسام أو بيئات متشابهة في مجموعات أبسط (الغابات والأراضي العشبية والغلاف الجوي والمحيطات) والتركيز فقط على العمليات الأكثر أهمية على المستوى العالمي (انظر الرسم التخطيطي لدورة الكربون العالمية). كما قد تتخيل ، فإن جزءًا من الحيلة هو فهم ماهية تلك العمليات.

يمثل القسم التالي نظرة عامة موجزة عن بعض التجمعات والتدفقات الهامة في دورة الكربون العالمية (ولاحظ أنه في مناقشتنا ، سنستخدم مصطلحات التجمع والمخزون والخزان بالتبادل). ولكن أولاً ، من المفيد أخذ بعض الوقت في الاعتبار للأعداد والوحدات التي غالبًا ما يتعامل معها العلماء. نظرًا لأن كميات الكربون في أحواض الكربون الرئيسية على الأرض يمكن أن تكون كبيرة جدًا ، فمن غير المناسب استخدام وحدات مألوفة مثل الجنيهات أو الكيلوجرامات. بدلاً من ذلك ، نستخدم وحدات أخرى أكثر ملاءمة للتعبير عن الأعداد الكبيرة. على سبيل المثال ، فإن بيتاجرام من الكربون (Pg) ، والمعروف أيضًا باسم Gigaton (Gt) ، يساوي 10 ^ 15 جرامًا أو مليار طن. طن ، المعروف أيضًا باسم طن متري ، يساوي ألف كيلوجرام (1000 كيلوجرام). لأن الكيلوغرام الواحد يساوي 2.205 رطلاً ، فإن الطن المتري الواحد يساوي 2205 رطلاً. وبأخذ هذا أبعد من ذلك ، يمكننا أن نرى أن بيتاجرام واحد يساوي حوالي 2،200،000،000،000 (أو 2.2 تريليون) رطل! يعد التعبير عن هذا كـ 1 Pg أبسط بكثير من العمل مع العديد من الأصفار. الآن سننظر في الكربون المخزن على الأرض في أربعة خزانات رئيسية.

اعتمادًا على أهدافنا ، يمكن تجميع مجمعات الكربون الموجودة على الأرض في أي عدد من الفئات المختلفة. هنا ، سننظر في أربع فئات لها أكبر صلة بدورة الكربون الكلية. ضع في اعتبارك أنه يمكن تقسيم أي من هذه المجموعات إلى عدد من الفئات الفرعية ، كما سنناقشها من حين لآخر.

قشرة الأرض: يتم تخزين أكبر كمية من الكربون على الأرض في الصخور الرسوبية داخل قشرة الكوكب. هذه الصخور تنتج إما عن طريق تصلب الطين (الذي يحتوي على مواد عضوية) في الصخر الزيتي بمرور الوقت الجيولوجي ، أو عن طريق تجميع جزيئات كربونات الكالسيوم ، من أصداف وهياكل الكائنات البحرية ، إلى الحجر الجيري والصخور الرسوبية الأخرى المحتوية على الكربون. تخزين جميع الصخور الرسوبية على الأرض معًا 100،000،000 PgC. إذا تذكرنا أن 1 Pg يزيد عن تريليوني رطل ، فمن الواضح أن هذه كتلة كبيرة من الكربون! يتم تخزين 4000 PgC أخرى في قشرة الأرض حيث تشكلت الهيدروكربونات على مدى ملايين السنين من الكائنات الحية القديمة تحت درجة حرارة وضغط شديدين. تُعرف هذه الهيدروكربونات عمومًا بالوقود الأحفوري.

المحيطات: تحتوي محيطات الأرض على 38000 PgC ، معظمها على شكل كربون غير عضوي مذاب مخزّن في أعماق كبيرة حيث يتواجد لفترات طويلة من الزمن. توجد كمية أقل بكثير من الكربون ، حوالي 1000 Pg ، بالقرب من سطح المحيط. يتم تبادل هذا الكربون بسرعة مع الغلاف الجوي من خلال العمليات الفيزيائية ، مثل ذوبان غاز ثاني أكسيد الكربون في الماء ، والعمليات البيولوجية ، مثل نمو وموت وانحلال العوالق. على الرغم من أن معظم هذا الكربون السطحي يدور بسرعة ، إلا أنه يمكن أيضًا نقل بعضه عن طريق الغرق في حوض المحيط العميق حيث يمكن تخزينه لفترة أطول.

الغلاف الجوي: يحتوي الغلاف الجوي على ما يقرب من 750 PgC ، معظمها في شكل CO2 ، مع كميات أقل بكثير من الميثان (CH4 ومركبات أخرى مختلفة). على الرغم من أن هذا الكربون أقل بكثير من الموجود في المحيطات أو القشرة الأرضية ، فإن الكربون الموجود في الغلاف الجوي له أهمية حيوية بسبب تأثيره على تأثير الاحتباس الحراري والمناخ. كما أن الحجم الصغير نسبيًا لحوض C في الغلاف الجوي يجعله أكثر حساسية للاضطرابات التي تسببها وزيادة مصادر أو أحواض C من برك الأرض الأخرى. في الواقع ، القيمة الحالية لـ 750 PgC أعلى بكثير من تلك التي حدثت قبل بدء احتراق الوقود الأحفوري وإزالة الغابات. قبل بدء هذه الأنشطة ، احتوى الغلاف الجوي على ما يقرب من 560 PgC ويعتقد أن هذه القيمة هي الحد الأعلى الطبيعي للأرض في ظل الظروف الطبيعية. في سياق التجمعات والتدفقات العالمية ، فإن الزيادة التي حدثت في القرون العديدة الماضية هي نتيجة لتدفقات الكربون إلى الغلاف الجوي من القشرة (الوقود الأحفوري) والنظم الإيكولوجية الأرضية (عن طريق إزالة الغابات وأشكال أخرى من تطهير الأرض).

النظم البيئية الأرضية: تحتوي النظم البيئية الأرضية على الكربون في شكل نباتات وحيوانات وتربة وكائنات دقيقة (بكتيريا وفطريات). من بين هذه النباتات والتربة هي الأكبر بكثير ، وعند التعامل مع العالم بأسره ، غالبًا ما يتم تجاهل البرك الصغيرة. على عكس قشرة الأرض والمحيطات ، يوجد معظم الكربون في النظم البيئية الأرضية في أشكال عضوية. في هذا السياق ، يشير المصطلح "عضوي" إلى المركبات التي تم إنتاجها بواسطة الكائنات الحية ، بما في ذلك الأوراق والخشب والجذور والمواد النباتية الميتة والمواد العضوية البنية في التربة (وهي البقايا المتحللة للأنسجة الحية سابقًا).

تتبادل النباتات الكربون مع الغلاف الجوي بسرعة نسبيًا من خلال عملية التمثيل الضوئي ، حيث يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى أنسجة نباتية جديدة ، والتنفس ، حيث يتم إطلاق جزء من ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه سابقًا مرة أخرى إلى الغلاف الجوي كمنتج لعملية التمثيل الغذائي. من بين الأنواع المختلفة من الأنسجة التي تنتجها النباتات ، تمتلك السيقان الخشبية مثل تلك التي تنتجها الأشجار أكبر قدرة على تخزين كميات كبيرة من الكربون. الخشب كثيف ويمكن أن تكون الأشجار كبيرة. بشكل جماعي ، تخزن نباتات الأرض ما يقرب من 560 PgC ، مع كون الخشب الموجود في الأشجار هو الجزء الأكبر.

يقدر إجمالي كمية الكربون في تربة العالم بـ 1500 PgC. يمكن أن يكون قياس كربون التربة أمرًا صعبًا ، لكن بعض الافتراضات الأساسية يمكن أن تجعل تقديره أسهل بكثير. أولاً ، الشكل الأكثر انتشارًا للكربون في التربة هو الكربون العضوي المشتق من المواد النباتية والكائنات الحية الدقيقة الميتة. ثانيًا ، مع زيادة عمق التربة ، تتناقص وفرة الكربون العضوي. عادة ما يتم أخذ قياسات التربة القياسية على عمق متر واحد فقط. في معظم الحالات ، يلتقط هذا الجزء السائد من الكربون في التربة ، على الرغم من أن بعض البيئات بها تربة عميقة جدًا حيث لا تنطبق هذه القاعدة. يدخل معظم الكربون الموجود في التربة في شكل مادة نباتية ميتة تتفكك بواسطة الكائنات الحية الدقيقة أثناء التحلل. أطلقت عملية التحلل أيضًا الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي لأن عملية التمثيل الغذائي لهذه الكائنات الدقيقة تكسر في النهاية معظم المواد العضوية وصولًا إلى ثاني أكسيد الكربون.

يُطلق على حركة أي مادة من مكان إلى آخر اسم التدفق ونفكر عادةً في تدفق الكربون على أنه نقل للكربون من حوض إلى آخر. يتم التعبير عن التدفقات عادةً كمعدل بوحدات كمية من بعض المواد يتم نقلها خلال فترة زمنية معينة (على سبيل المثال g · cm-2 · s-1 أو kg · km2 في العام). على سبيل المثال ، يمكن اعتبار تدفق المياه في النهر على أنه تدفق ينقل المياه من الأرض إلى البحر ويمكن قياسه بالجالونات في الدقيقة أو الكيلومترات المكعبة في السنة.

يمكن أن يحتوي تجمع الكربون الفردي في كثير من الأحيان على العديد من التدفقات على حد سواء إضافة الكربون وإزالته في وقت واحد. على سبيل المثال ، يتدفق الغلاف الجوي من التحلل (ثاني أكسيد الكربون المنبعث من تحلل المواد العضوية) ، وحرائق الغابات واحتراق الوقود الأحفوري والتدفقات الخارجة من نمو النباتات وامتصاصها بواسطة المحيطات. يمكن أن يختلف حجم التدفقات المختلفة على نطاق واسع. في القسم السابق ، ناقشنا بإيجاز عددًا قليلاً من التدفقات داخل وخارج مجمعات C العالمية المختلفة. هنا ، سوف نولي مزيدًا من الاهتمام لبعض تدفقات الكربون الأكثر أهمية.

البناء الضوئي: أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة من ضوء الشمس لدمج ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي مع الماء من التربة لإنتاج الكربوهيدرات (لاحظ أن جزأي الكلمة ، الكربوهيدرات والهيدرات ، يدلان على الكربون والماء). بهذه الطريقة ، يتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزينه في بنية النباتات. تم تشكيل كل المواد العضوية على الأرض تقريبًا من خلال هذه العملية. نظرًا لأن بعض النباتات يمكن أن تعيش لعشرات أو مئات أو أحيانًا آلاف السنين (في حالة الأشجار الأطول عمراً) ، فقد يتم تخزين الكربون أو عزله لفترات زمنية طويلة نسبيًا. عندما تموت النباتات ، تبقى أنسجتها لمجموعة واسعة من الفترات الزمنية. تميل الأنسجة مثل الأوراق ، التي تتمتع بجودة عالية بالنسبة للكائنات المُحللة ، إلى التحلل بسرعة ، في حين أن الهياكل الأكثر مقاومة ، مثل الخشب يمكن أن تستمر لفترة أطول. تشير التقديرات الحالية إلى أن التمثيل الضوئي يزيل 120 PgC / سنة من الغلاف الجوي ويتم تخزين حوالي 610 PgC في النباتات في أي وقت.

تنفس النبات: تطلق النباتات أيضًا ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي من خلال عملية التنفس (ما يعادل الزفير من النبات). يحدث التنفس عندما تستخدم الخلايا النباتية الكربوهيدرات ، المصنوعة أثناء عملية التمثيل الضوئي ، للحصول على الطاقة. يمثل تنفس النبات ما يقرب من نصف (60 PgC / سنة) من ثاني أكسيد الكربون الذي يتم إرجاعه إلى الغلاف الجوي في الجزء الأرضي من دورة الكربون.

Litterfall: بالإضافة إلى موت النباتات الكاملة ، تتساقط النباتات الحية أيضًا جزءًا من أوراقها وجذورها وفروعها كل عام. نظرًا لأن جميع أجزاء النبات تتكون من الكربون ، فإن فقدان هذه الأجزاء على الأرض هو نقل الكربون (التدفق) من النبات إلى التربة. غالبًا ما يشار إلى المواد النباتية الميتة بالقمامة (فضلات الأوراق ، وفضلات الفروع ، وما إلى ذلك) وبمجرد وصولها إلى الأرض ، ستبدأ جميع أشكال القمامة في عملية التحلل.

تنفس التربة: إن إطلاق ثاني أكسيد الكربون من خلال التنفس ليس فريدًا بالنسبة للنباتات ، ولكنه شيء تفعله جميع الكائنات الحية. عندما يتم تكسير أو تحلل المواد العضوية الميتة (التي تستهلكها البكتيريا والفطريات) ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بمعدل متوسط ​​يبلغ حوالي 60 PgC / سنة على مستوى العالم. نظرًا لأن الأمر قد يستغرق سنوات حتى يتحلل النبات (أو عقودًا في حالة الأشجار الكبيرة) ، يتم تخزين الكربون مؤقتًا في المادة العضوية للتربة.

تبادل المحيطات والغلاف الجوي: يتم امتصاص الكربون غير العضوي وإطلاقه عند السطح البيني للمحيطات والهواء المحيط ، من خلال عملية الانتشار. قد لا يبدو واضحًا أنه يمكن إذابة الغازات أو إطلاقها من الماء ، ولكن هذا ما يؤدي إلى تكون الفقاعات التي تظهر في كوب من الماء تُترك لتستقر لفترة كافية من الوقت. يحتوي الهواء الموجود في تلك الفقاعات على ثاني أكسيد الكربون وهذه العملية نفسها هي الخطوة الأولى في امتصاص المحيطات للكربون. مرة واحدة في شكل مذاب ، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء فيما يعرف بتفاعلات الكربونات. هذه تفاعلات كيميائية بسيطة نسبيًا ينضم فيها H2O و CO2 لتكوين H2CO3 (المعروف أيضًا باسم حمض الكربونيك ، يسمى الأنيون ، CO3 ، كربونات). يسمح تكوين الكربونات في مياه البحر للمحيطات بامتصاص وتخزين كمية أكبر بكثير من الكربون مما يمكن أن يكون ممكنًا إذا ظل ثاني أكسيد الكربون المذاب بهذا الشكل. الكربونات مهمة أيضًا لعدد كبير من الكائنات البحرية التي تستخدم هذا الشكل المعدني من الكربون لبناء الأصداف.

يتم تدوير الكربون أيضًا عبر المحيط من خلال العمليات البيولوجية لعملية التمثيل الضوئي والتنفس وتحلل النباتات المائية. على النقيض من الغطاء النباتي الأرضي ، فإن السرعة التي تتحلل بها الكائنات البحرية. نظرًا لأن نباتات المحيطات لا تحتوي على جذوع خشبية كبيرة تستغرق سنوات حتى تتحلل ، فإن العملية تحدث بسرعة أكبر في المحيطات منها على اليابسة - غالبًا في غضون أيام. لهذا السبب ، يتم تخزين القليل جدًا من الكربون في المحيط من خلال العمليات البيولوجية. تعتمد الكمية الإجمالية لامتصاص الكربون (92 Pg C) وفقدان الكربون (90 PgC) من المحيط على توازن العمليات العضوية وغير العضوية.

احتراق الوقود الأحفوري وتغيير الغطاء الأرضي: تتضمن تدفقات الكربون التي تمت مناقشتها حتى الآن العمليات الطبيعية التي ساعدت في تنظيم دورة الكربون ومستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لملايين السنين. ومع ذلك ، تتضمن دورة الكربون الحديثة أيضًا العديد من التدفقات المهمة التي تنبع من الأنشطة البشرية. وأهمها احتراق الوقود الأحفوري: الفحم والنفط والغاز الطبيعي. تحتوي هذه المواد على الكربون الذي تم التقاطه بواسطة الكائنات الحية على مدى ملايين السنين وتم تخزينه في أماكن مختلفة داخل قشرة الأرض (انظر مربع النص المصاحب). ومع ذلك ، منذ بداية الثورة الصناعية ، تم تعدين هذه الأنواع من الوقود وحرقها بمعدلات متزايدة وكانت بمثابة مصدر أساسي للطاقة التي تحرك الحضارة البشرية الصناعية الحديثة. نظرًا لأن المنتج الثانوي الرئيسي لاحتراق الوقود الأحفوري هو ثاني أكسيد الكربون ، يمكن النظر إلى هذه الأنشطة من الناحية الجيولوجية على أنها تدفق جديد وسريع نسبيًا لكميات كبيرة من الكربون في الغلاف الجوي. في الوقت الحاضر ، يمثل احتراق الوقود الأحفوري تدفقًا في الغلاف الجوي يبلغ حوالي 6-8 PgC / سنة.

النشاط البشري الآخر الذي تسبب في تدفق الكربون إلى الغلاف الجوي هو تغيير الغطاء الأرضي ، إلى حد كبير في شكل إزالة الغابات. مع توسع عدد السكان ونمو المستوطنات البشرية ، تم تحويل قدر كبير من سطح الأرض من النظم البيئية الأصلية إلى المزارع والمناطق الحضرية. تمت إزالة الغابات الأصلية في العديد من المناطق بحثًا عن الأخشاب أو حرقها لتحويلها إلى مزارع وأراضي عشبية. نظرًا لأن الغابات والنظم البيئية المحلية الأخرى تحتوي عمومًا على قدر أكبر من الكربون (في كل من أنسجة النبات والتربة) أكثر من أنواع الغطاء التي تم استبدالها بها ، فقد أدت هذه التغييرات إلى تدفق صافٍ إلى الغلاف الجوي يبلغ حوالي 1.5 PgC / سنة. في بعض المناطق ، يمكن أن تمثل إعادة نمو الغابات من أنشطة تطهير الأراضي السابقة حوضًا للكربون (كما في حالة نمو الغابات بعد التخلي عن المزرعة في شرق أمريكا الشمالية) ، ولكن التأثير الصافي لجميع عمليات تحويل الغطاء الأرضي التي يسببها الإنسان على مستوى العالم يمثل مصدر للغلاف الجوي.

العمليات الجيولوجية: تمثل العمليات الجيولوجية ضوابط مهمة على دورة الكربون للأرض عبر نطاقات زمنية لمئات الملايين من السنين. إن المناقشة الشاملة لدورة الكربون الجيولوجية خارج نطاق هذه المقدمة ، لكن العمليات المتضمنة تشمل تكوين الصخور الرسوبية وإعادة تدويرها عبر الصفائح التكتونية والطقس والانفجارات البركانية.

لإلقاء نظرة فاحصة قليلاً ، يتم تقسيم الصخور على الأرض بواسطة الغلاف الجوي والمطر والمياه الجوفية إلى جزيئات صغيرة ومواد مذابة ، وهي عملية تعرف باسم التجوية. يتم دمج هذه المواد مع جزيئات النبات والتربة التي تنتج عن التحلل وتآكل السطح ويتم نقلها لاحقًا إلى المحيط حيث تترسب الجزيئات الأكبر بالقرب من الشاطئ. ببطء ، تتراكم هذه الرواسب ، مما يؤدي إلى دفن الرواسب القديمة في الأسفل. تسبب طبقات الرواسب ضغطًا للبناء وتصبح في النهاية كبيرة جدًا بحيث تتحول الرواسب العميقة إلى صخور ، مثل الصخر الزيتي. داخل مياه المحيط نفسها ، تختلط المواد الذائبة بمياه البحر وتستخدمها الحياة البحرية لصنع هياكل وأصداف من كربونات الكالسيوم (CaCO3). عندما تموت هذه الكائنات ، تغرق هياكلها وأصدافها في قاع المحيط. في المياه الضحلة (أقل من 4 كيلومترات) تتجمع الكربونات وتشكل في النهاية نوعًا آخر من الصخور الرسوبية يسمى الحجر الجيري.

بشكل جماعي ، تحول هذه العمليات الكربون الذي كان موجودًا في البداية في الكائنات الحية إلى صخور رسوبية داخل قشرة الأرض. بمجرد الوصول إلى هناك ، يستمر نقل هذه المواد وتحويلها من خلال عملية الصفائح التكتونية ، ورفع الصخور الموجودة في الصفائح الأخف وزناً وذوبان الصخور في الصفائح الأثقل حيث يتم دفعها بعمق تحت السطح. يمكن أن تؤدي هذه المواد المنصهرة في النهاية إلى انبعاث الكربون الغازي مرة أخرى إلى الغلاف الجوي من خلال الانفجارات البركانية ، وبالتالي إكمال الدورة. على الرغم من أن إعادة تدوير الكربون من خلال الصخور الرسوبية أمر حيوي لقدرة كوكبنا على المدى الطويل على استدامة الحياة ، فإن الدورة الجيولوجية تتحرك ببطء شديد بحيث تكون هذه التدفقات صغيرة على أساس سنوي ولها تأثير ضئيل على النطاق الزمني البشري.


© حقوق النشر لعام 2008 ، جامعة نيو هامبشاير ، دورهام ، NH 03824
الأمم المتحدة جزء من نظام جامعة نيو هامبشاير. | إخلاء مسؤولية ADA | اتصل بنا


تعزز مسارات الإنتاج الحيوي غير المتجانسة التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء والحماية الضوئية

يعمل مساران أيضيان يتم إدخالهما في البكتيريا الزرقاء على زيادة أداء التمثيل الضوئي وتوفير حماية جزئية من الآثار السلبية لامتصاص الضوء الزائد.

تم تعديل سلسلة نقل الإلكترون للبكتيريا الزرقاء عن طريق إزالة آليات الحماية من الضوء (بروتينات فلافودييرون FDPs) وإضافة حوضين غير متجانسين (سكروز وسيتوكروم P450). نتيجة لذلك ، تم الكشف عن زيادة في كفاءة التمثيل الضوئي ، مصحوبة بتحسن في إنتاج السكروز. قدمت الإزالة الفعالة للإلكترونات بواسطة هذين الحوضين غير المتجانسين بعض الفوائد في حماية الأنظمة الضوئية (على سبيل المثال ، PSI) من الضوء المتقلب.

الإنجاز العلمي

تم إدخال مسارين استقلابي خارجيين في البكتيريا الزرقاء وتبين أنهما يزيدان من أدائها في التمثيل الضوئي. يبدو أن هذه المسارات تحمي جزئيًا البكتيريا الزرقاء من التأثيرات السلبية لامتصاص الضوء الزائد.

الأهمية والتأثير

تطبيقات التكنولوجيا الحيوية الزرقاء البكتيرية (على سبيل المثال، إنتاج الوقود الحيوي) تتطلب زيادة الإنتاجية حتى تكون قادرة على المنافسة اقتصاديًا مع طرق الإنتاج الحالية. يعد تعظيم كفاءة التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء تحديًا كبيرًا يرتبط بالتالي بالجدوى الاقتصادية للإنتاج الحيوي المستدام.

تفاصيل البحث

  • يخدم هذا البحث كدليل إضافي على أن الهندسة وأحواض ldquometabolic & rdquo يمكن أن تحسن القدرة على التمثيل الضوئي والحماية من الضوء في البكتيريا الزرقاء.
  • استخدم فريق البحث المكورات المتزامنةelongatus PCC 7942 لإعادة توصيل تدفق الإلكترون بعيدًا عن آليات تبديد الطاقة الذاتية (بروتينات فلافودييرون) ، ونحو أحواض التمثيل الغذائي غير المتجانسة (إنتاج السكروز والسيتوكروم P450 ، القادرة على تحلل مبيد الأعشاب أترازين). تتنافس آليات التبديد هذه مع الكيمياء الضوئية ، مما يقلل بطبيعته من كفاءة التمثيل الضوئي ، ويمكن تحويل الطاقة التي تستهلكها بشكل فعال إلى منتجات أيضية مفيدة عبر مسارات غير متجانسة.
  • كان لتنشيط كلا المسارين غير المتجانسين آثار مفيدة على التمثيل الضوئي ، وإن كان ذلك مع وجود اختلافات فيما يتعلق بالتحسينات المحددة التي لوحظت. ارتبط تصدير السكروز بتحسين العائد الكمي لـ PSII وتدفق سلسلة نقل الإلكترون المعزز في الإضاءة المنخفضة ، بينما أدى نشاط السيتوكروم P450 إلى تحسينات التمثيل الضوئي التي لوحظت بشكل أساسي تحت الضوء العالي.
  • أظهر التعبير المشترك لكل من الأحواض الأيضية تأثيرات إضافية على عملية التمثيل الضوئي ، مما يشير إلى أنه لا يمكن لأي حوض بمفرده الاستفادة من القدرة الفائضة الكاملة وسلسلة نقل الإلكترون.
  • علاوة على ذلك ، عندما تم تنشيط كل من المصارف الأيضية ، لوحظ تأثير ضوئي. يمكن أن تحمي الأحواض الأيضية النظام الضوئي الأول جزئيًا في غياب بروتينات الحماية الضوئية الأصلية.

الأشخاص المرتبطون: Mar & iacutea Santos-Merino و Alejandro Torrado و Geoffry A. Davis و Annika R & oumlttig و Thomas S. Bibby و David M. Kramer و Daniel C.Ducat (CA)


مناقشة

خلال هذه الدراسة ، قمنا بتصميم البكتيريا الزرقاء سريعة النمو المكورات المتزامنة يوتكس 2973 لانتاج السكروز. من خلال الإفراط في التعبير عن نفاذ السكروز CscB ، أنتجت السلالة المهندسة أكثر من 8 جم لتر -1 من السكروز بأعلى إنتاجية تبلغ 1.9 جم لتر -1 يوم -1 في 4 أيام (الشكل 2 أ). بشكل ملحوظ ، تم إنتاج كمية كبيرة من السكروز في مرحلة النمو الثابت. من اليوم الثاني إلى اليوم الخامس ، تم إنتاج 5.8 جم لتر -1 من السكروز ، بينما زادت الكتلة الحيوية للخلية 0.7 جم فقط (الشكل 2 ج). تم توجيه ما يقرب من 90 ٪ من الكربون الضوئي لتخليق السكروز. من المثير للدهشة أن التظليل الذاتي للضوء في مزارع الخلايا الكثيفة لم يكن له تأثير كبير على إنتاج السكروز. لقد استنتجنا أن الإنتاجية العالية للسكروز هي نتيجة دفع وسحب تدفقات الكربون نحو تخليق السكروز. في المكورات المتزامنة 2973 ، كفاءة التمثيل الضوئي العالية 16 ومسارات فوسفات السكر القوية 15 توفر قوة دفع قوية لإنتاج السكروز. وفي الوقت نفسه ، ينتج عن التعبير عن نفاذ السكروز CscB حوضًا للكربون عن طريق تصدير السكروز من الخلايا ، مما يؤدي إلى إنتاج السكروز المستمر لتجنب الجفاف في ظروف إجهاد الملح.

بالمقارنة مع جميع المواد الكيميائية الأخرى المنتجة من البكتيريا الزرقاء ، فإن إنتاج السكروز في هذه الدراسة له أعلى إنتاجية. علاوة على ذلك ، هذه هي الدراسة الأولى التي تثبت قدرة البكتيريا الزرقاء على إنتاج مادة كيميائية بمعدل يزيد عن 1 جم لتر -1 يوم -1 باستخدام الضوء وثاني أكسيد الكربون.2. أفادت دراسة حديثة أن 12.6 جم لتر -1 من إنتاج 2،3-بوتانيديول بمعدل 1.1 جم لتر -1 يوم -1 من المكورات المتزامنة 7942 22. ومع ذلك ، تم استنبات السلالة في ظل ظروف الانكسار الضوئي مع إضافة 15 جم لتر من الجلوكوز كمصدر إضافي للكربون. يتم إنتاج السكروز في المكورات المتزامنة 2973 في الدراسة الحالية تستخدم ثاني أكسيد الكربون2 كمصدر وحيد للكربون.

تم هندسته مسبقًا المكورات المتزامنة 2973 5 أنتج السكروز عند 0.9 جم لتر -1 يوم -1 ، وهو أقل بمقدار 2.1 مرة من ذلك الموجود في 2973-CSCB سلالة (الشكل التكميلي S1). من المفترض أن التناقض بين الدراستين يرجع إلى الاختلافات في تصميم السلالة والظروف التجريبية. في دراستهم ، فإن CSCB كان يتحكم فيه بكتريا قولونية مروج trp / lac 17 ، في حين أن 2973-CSCB سلالة في دراستنا تستخدم لاك المروج للتعبير CSCB 13. علاوة على ذلك ، فإن إعداد اللقاح والظروف التجريبية مختلفة. بدأت تجاربهم عن طريق تحريض الملح لمزارع المرحلة الأسية المتأخرة (الكتلة الحيوية للخلية = 1.9 جم لتر وزن جاف) 5. نمت الثقافات في 3٪ CO2 و 250 ميكرولتر فوتون م −2 ثانية -1 ضوء في عمود مفاعل حيوي 5. في دراستنا ، 2973-CSCB تم تأقلم السلالة لأول مرة في وسط BG11 مع 150 ملي كلوريد الصوديوم لمدة 24 ساعة ، وبدأت التجارب في OD730 0.05 (ما يعادل 0.06 جم لتر -1 وزن جاف) مع تحريض IPTG. 2973-CSCB تمت زراعة السلالة في 0.5 - 0.6٪ من ثاني أكسيد الكربون2 و 250 ميكرولتر فوتون م −2 ثانية -1 ضوء في قوارير شاكر. لقد اعتقدنا أن تأقلم الخلايا مع وسط الإجهاد الملحي مكّن CSCB- التعبير عن الإجهاد لإنتاج كمية أكبر من السكروز. لأن إجهاد الملح يثبط نشاط النظم الضوئية 23 ويضعف نمو المكورات المتزامنة 2973 (الشكل 2 ب) ، قد لا تتمكن استراتيجية تحريض الملح المبلغ عنها سابقًا من إطلاق العنان لإمكانات إنتاج السكروز في المكورات المتزامنة 2973. اختيار المروج ل CSCB أدت استراتيجية التعبير والتأقلم مع الملح في دراستنا إلى إنتاجية أعلى للسكروز بمقدار المكورات المتزامنة 2973.

تكون مستويات الجليكوجين والسكروز معاكسة عند 2973-CSCB نمت السلالة مع أو بدون إجهاد الملح (الشكل 3 ب ، ج). يشير هذا إلى أن توليفات الجليكوجين والسكروز تتنافس على ركائز الكربون ، ويمكن أن تتأثر المنافسة بظروف وسائط الثقافة. أظهرت نتائج RT-PCR شبه الكمية أن sps تم تنظيم الجين بشكل كبير عن طريق تحريض الملح (الشكل ثلاثي الأبعاد) ، مما أدى إلى زيادة كبيرة في إنتاج السكروز (الشكل 3 ب). ومع ذلك ، فإن التعبير عن جينات تخليق الجليكوجين (جي إل جي سي و غلغا) بقي مشابهًا عند تحريض الملح (الشكل ثلاثي الأبعاد) ، مما يشير إلى أن محتوى الجليكوجين المنخفض لم يكن بسبب تقليل تنظيم تخليق الجليكوجين. يشير هذا أيضًا إلى أن مسار التخليق الحيوي للسكروز أكثر كفاءة من مسار تخليق الجليكوجين في استخدام ركائز الكربون في 2973-CSCB أضنى. في الواقع ، تؤكد نتائجنا اكتشاف أن حذف مسار تخليق الجليكوجين أدى إلى تحسن محدود في إنتاج السكروز في البكتيريا الزرقاء 13. نظرًا لأنه يتم إنتاج كمية ضئيلة من الجليكوجين في ظل ظروف إجهاد الملح (الشكل 3 ج) ، فمن غير المرجح أن يتم تحسين عيار السكروز عن طريق حذف مسار الجليكوجين. في الواقع ، أفادت دراسة حديثة أن تخليق الجليكوجين قد يكون بمثابة تجمع الكربون لإنتاج السكروز في البكتيريا الزرقاء 24. باستخدام نظام الريبوسول الناجم عن الثيوفيلين ، قلل من التعبير عن جى ال جى سى أدى إلى انخفاض عيار السكروز في المكورات المتزامنة 7942 24 .

من خلال الإفراط في التعبير عن جينات التخليق الحيوي للسكروز ، يبلغ إنتاج السكروز 2973-CSCB زادت الخلايا بشكل ملحوظ في وسط BG11 (الشكل 4 ب). هذه أول دراسة لهندسة البكتيريا الزرقاء لإنتاج السكروز دون تحريض إجهاد الملح. يمكن استخدام البكتيريا الزرقاء المنتجة للسكروز كمواد وسيطة للكربون للكائنات غيرية التغذية لإنتاج مواد كيميائية مفيدة 25. ومع ذلك ، قد لا تكون وسط الإجهاد الملحي متوافقة مع وسائط الاستنبات للكائنات غيرية التغذية. يمكن أن تؤدي هندسة سلالة منتجة للسكروز دون الحاجة إلى تحريض الملح إلى توسيع تطبيق استخدام البكتيريا الزرقاء لأنظمة الاستزراع المشترك. التعبير عن sps و النيابة حسّن عيار السكروز بمقدار 23 ضعفًا بإنتاجية 1.1 جم لتر -1 يوم -1 (الشكل 4 ب). مع أو بدون إضافة 1 ملي IPTG ، فإن sps أنتجت السلالة كميات مماثلة من السكروز (1.6-1.8 جم لتر -1). والجدير بالذكر أن إنتاج السكروز sps-النيابة كانت سلالات التعايش 1.2 جم لتر -1 و 3.4 جم لتر -1 مع أو بدون إضافة IPTG ، على التوالي (الشكل 4 ب). زادت الإنتاجية 2.9 ضعفًا في غياب IPTG ، مما يشير إلى أن مستوى التعبير النيابة يؤثر بشكل كبير على عيار السكروز. ال CSCB و sps-spp تم التحكم في كل من الجينات بواسطة المروجين المحرضين IPTG ، بينما تم التحكم في نسخة واحدة فقط من لاسي تم التعبير عن الجين الكابح في السلالة (الشكلان 1 ب و 4 أ). قد تكون كمية مثبطات LacI غير كافية للتحكم في التعبير الجيني لجميع الجينات الثلاثة. ومن ثم ، فإن التعبير المتسرب عن الجينات (CSCB, sps و النيابة) أدى إلى انخفاض التعبير الجيني ولكن تحسن إنتاج السكروز بشكل ملحوظ عند مقارنته بالحث الكامل لـ النيابة الجين في الوقت الحاضر من 1 ملي IPTG (الشكل 4 ب). لاحظنا أيضًا ضعف نمو sps-النيابة سلالة مع تحريض IPTG 1 مم (الجدول التكميلي S2) ، مما يشير إلى أن الإفراط في التعبير عن النيابة قد يتسبب الجين في تسمم الخلايا ويقلل من إنتاجية السكروز. من المعروف أن SPS هو إنزيم يحد من معدل تخليق السكروز الحيوي في البكتيريا الزرقاء 14. تشير نتائجنا إلى أن SPP يلعب أيضًا دورًا مهمًا في إنتاج السكروز ، حيث أن مستوى تعبيره مهم لتعزيز إنتاج السكروز.


تغطي أنظمة الغابات أكثر من 4.1 × 10 9 هكتارات من مساحة اليابسة. على الصعيد العالمي ، تحتوي النباتات والتربة الحرجية على حوالي 1146 بيتاغرام من الكربون ، مع ما يقرب من 37 في المائة من هذا الكربون في غابات خطوط العرض المنخفضة ، و 14 في المائة في خطوط العرض الوسطى ، و 49 في المائة في خطوط العرض العالية. يوجد أكثر من ثلثي الكربون الموجود في النظم الإيكولوجية للغابات في التربة ورواسب الخث المرتبطة بها. في عام 1990 ، أدت إزالة الغابات في خطوط العرض المنخفضة إلى انبعاث 1.6 ± 0.4 بيتاغرام من الكربون سنويًا ، في حين أدى التوسع في مساحة الغابات والنمو في غابات خطوط العرض المتوسطة والعالية إلى عزل 0.7 ± 0.2 بيتاغرام من الكربون سنويًا ، من أجل صافي التدفق إلى الغلاف الجوي للغابات. 0.9 ± 0.4 بيتاغرام من الكربون سنويًا. يمكن أن يؤدي تباطؤ إزالة الغابات ، إلى جانب زيادة التحريج وتدابير الإدارة الأخرى لتحسين إنتاجية النظام الإيكولوجي للغابات ، إلى الحفاظ على كميات كبيرة من الكربون أو عزلها. الاتجاهات المستقبلية لدورة الكربون في الغابات التي تُعزى إلى الخسائر وإعادة النمو المرتبطة بالمناخ العالمي وتغير استخدام الأراضي غير مؤكدة. Model projections and some results suggest that forests could be carbon sinks or sources in the future.

علم

Vol 263, Issue 5144
14 January 1994

أدوات المادة

الرجاء تسجيل الدخول لإضافة تنبيه لهذه المقالة.

By R. K. Dixon , A. M. Solomon , S. Brown , R. A. Houghton , M. C. Trexier , J. Wisniewski

علم 14 Jan 1994 : 185-190


The page you’re looking for cannot be found.

Here are a few suggestions to help you find your way:

  • If you entered a web address please check it was correct.
  • Go to the Oxford Academic home page. across the Oxford Academic site.

If you believe this to be an error, please contact us.

  • About Plant Physiology
  • Editorial Board
  • Author Guidelines
  • Recommend to Your Librarian
  • Advertising & Corporate Services
  • ASPB
  • Donations
  • Awards & Funding
  • Plant Science Today
  • Plant Biology Meeting
  • Meeting Management Services
  • The Signal
  • النبات
  • Plant Science Research Weekly
  • Taproot: A Plantae Podcast
  • Online ISSN 1532-2548
  • Print ISSN 0032-0889
  • Copyright © 2021 American Society of Plant Biologists

الاتصال

موارد

يكتشف

Oxford University Press is a department of the University of Oxford. It furthers the University's objective of excellence in research, scholarship, and education by publishing worldwide

This Feature Is Available To Subscribers Only

This PDF is available to Subscribers Only

For full access to this pdf, sign in to an existing account, or purchase an annual subscription.


Phycobilisome breakdown effector NblD is required to maintain the cellular amino acid composition during nitrogen starvation

Small proteins are critically involved in the acclimation response of photosynthetic cyanobacteria to nitrogen starvation. NblD is the 66-amino-acid effector of nitrogen-limitation-induced phycobilisome breakdown, which is believed to replenish the cellular amino acid pools. To address the physiological functions of NblD, the concentrations of amino acids, intermediates of the arginine catabolism pathway and several organic acids were measured during the response to nitrogen starvation in the cyanobacterium متزامن ص. PCC 6803 wild type and in an nblD deletion strain. A characteristic signature of metabolite pool composition was identified, which shows that NblD-mediated phycobilisome degradation is required to maintain the cellular amino acid and organic acid pools during nitrogen starvation. Specific deviations from the wild type suggest wider-reaching effects that also affect such processes as redox homeostasis via glutathione and tetrapyrrole biosynthesis, both of which are linked to the strongly decreased glutamate pool, and transcriptional reprogramming via an enhanced concentration of 2-oxoglutarate, the metabolite co-regulator of the NtcA transcription factor. The essential role played by NblD in metabolic homeostasis is consistent with the widespread occurrence of NblD throughout the cyanobacterial radiation and the previously observed strong positive selection for the nblD gene under fluctuating nitrogen supply.

أهمية Cyanobacteria play important roles in the global carbon and nitrogen cycles. In their natural environment, these organisms are exposed to fluctuating nutrient conditions. Nitrogen starvation induces a coordinated nitrogen-saving program that includes the breakdown of nitrogen-rich photosynthetic pigments, particularly phycobiliproteins. The small protein NblD was recently identified as an effector of phycobilisome breakdown in cyanobacteria. In this study, we demonstrate that the NblD-mediated degradation of phycobiliproteins is needed to sustain cellular pools of soluble amino acids and other crucial metabolites. The essential role played by NblD in metabolic homeostasis explains why genes encoding this small protein are conserved in almost all members of cyanobacterial radiation.


ELife digest

Cyanobacteria are microorganisms that live in water and, like plants, they capture energy from the sun to convert carbon dioxide into sugars and other useful compounds. This process—called photosynthesis—releases oxygen as a by-product. Cyanobacteria were crucial in making the atmosphere of the early Earth habitable for other organisms, and they created the vast carbon-rich deposits that now supply us with fossil fuels. Modern cyanobacteria continue to sustain life on Earth by providing oxygen and food for other organisms, and researchers are trying to bioengineer cyanobacteria to produce alternative, cleaner, fuels.

Understanding how cyanobacteria can be as efficient as possible at harnessing sunlight to ‘fix’ carbon dioxide into carbon-rich molecules is an important step in this endeavor. Carbon dioxide can readily pass through cell membranes, so instead cyanobacteria accumulate molecules of bicarbonate inside their cells. This molecule is then converted back into carbon dioxide by an enzyme found in specials compartments within cells called carboxysomes. The enzyme that fixes the carbon is also found in the carboxysomes. However, several important details in this process are not fully understood.

Here, Mangan and Brenner further extend a mathematical model of the mechanism that cyanobacteria use to concentrate carbon dioxide in order to explore the factors that optimize carbon fixation by these microorganisms. Carbon fixation is deemed efficient when there is more carbon dioxide in the carboxysome than the carbon-fixing enzyme can immediately use (which also avoids wasteful side-reactions that use oxygen instead of carbon dioxide). However, there should not be too much bicarbonate, otherwise the enzyme that converts it to carbon dioxide is overwhelmed and cannot take advantage of the extra bicarbonate.

Mangan and Brenner's model based the rates that carbon dioxide and bicarbonate could move in and out of the cell, and the rates that the two enzymes work, on previously published experiments. The model varied the location of the enzymes (either free in the cell or inside a carboxysome), and the rate at which carbon dioxide and bicarbonate could diffuse in and out of the carboxysome (the carboxysome's permeability). Mangan and Brenner found that containing the enzymes within a carboxysome increased the concentration of carbon dioxide inside the cell by an order of magnitude. The model also revealed the optimal permeability for the carboxysome outer-shell that would maximize carbon fixation.

In addition to being of interest to researchers working on biofuels, if the model can be adapted to work for plant photosynthesis, it may help efforts to boost crop production to feed the world’s growing population.


How ocean bacterium turns carbon into fuel

Reduce. Reuse. إعادة التدوير. We hear this mantra time and again. When it comes to carbon&lsaquothe "Most Wanted" element in terms of climate change&lsaquonature has got reuse and recycle covered. However, it's up to us to reduce. Scientists at Harvard Medical School are trying to meet this challenge by learning more about the carbon cycle, that is, the process by which carbon moves from the atmosphere into plants, oceans, soils, the earth's crust, and back into the atmosphere again.

One of the biggest movers and shakers is the lowly cyanobacteria, an ocean-dwelling, one-celled organism. Pamela Silver, HMS professor of systems biology, and colleagues have uncovered details about how this bacteria fixes, or digests, carbon. These bacteria build miniature factories inside themselves that turn carbon into fuel.

Silver and her colleagues report that the bacteria organize these factories spatially, revealing a structural sophistication not often seen in single-celled organisms. This regular and predictable spacing improves the efficiency of carbon processing. In the future, an understanding of the mechanisms that govern this spatial organization may help improve the efficiency of designer bacteria engineered to produce carbon-neutral fuels such as biodiesel and hydrogen.

These findings will be published online March 5 in the journal علم.

The rod-shaped cyanobacteria are among the most abundant organisms on earth. Forty percent of the carbon in the carbon cycle is reused and recycled through these tiny creatures. To process carbon, cyanobacteria build soccer-ball-shaped structures inside themselves called carboxysomes. These tiny factories absorb carbon dioxide and convert it into sugar, which the bacteria then use to produce energy.

"The ocean is just packed with these bacteria. By studying them, we're understanding more about how the earth works," said Silver, who is also on the faculty of the Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at HMS. "I'm blown away by what's happening in the ocean and what we don't understand about it. There are a lot of things in the ocean that are going to be useful to us."

The research team, led by co-first authors, research fellows David Savage and Bruno Afonso, attached a fluorescent tag to proteins involved in building the carboxysome, then grew the tagged bacteria under a microscope.

The resulting images revealed that, instead of being randomly numbered and haphazardly placed, cyanobacteria build carboxysomes in numbers that scale with their size, and they space the factories evenly along their length. (see image, end of release)

The finding adds evidence for new ways to think about bacteria. "We had this idea of bacteria as a bag of enzymes, but that has been completely shattered," said Afonso. A single protein, called parA, acts as a kind of inner-bacterium stage manager, arranging the carboxysomes in a neat, single-file row, the researchers found. When they disabled the bacteria's ability to make the protein, the carboxysomes were distributed far more randomly.

The cyanobacteria lacking parA were also less "fit" for survival, said Savage. While wild-type bacteria cells have a consistent number of carboyxsomes, which in turn optimizes carbon processing and fitness, the knockout bacterium created daughter cells whose numbers of carboxysomes ranged from none to an excess. The daughter cells with few or no carboxysomes divide more slowly and also process fifty percent less carbon than daughter cells at the other end of the spectrum.

By tagging parA in wild-type bacteria, they discovered interesting dynamics in the protein. Thousands of parA proteins repeatedly cluster together and shoot quickly from one end of the bacterium to the other.

"It's amazing that you can generate this regularity and symmetry potentially from a single protein," said Savage. "It's amazing that it is somehow tuned by the dynamics of the protein." The researchers have not yet identified the exact mechanism parA uses to govern the spacing.

Many other bacteria also have the parA protein, which is known for separating chromosomes during cell division. "This work highlights how bacteria cobble together spare parts to achieve similar goals such as organization and segregation," said David Rudner, HMS assistant professor of microbiology and molecular genetics, who was not involved in the study.

These findings may help synthetic biologists one day create designer bacteria.

"Knowledge about how cells create and deploy specialized factories like the carboxysome opens the way to creating other kinds of mini factories that could perform useful functions," said Richard Losick, Harvard University professor of molecular and cellular biology, who was not involved in the study.

Silver's lab is looking into whether the carboxysome might be useful for optimizing the production of hydrogen by engineered bacteria. One challenge in designing hydrogen-producing bacteria is that the enzymes that produce hydrogen are sensitive to oxygen. The carboxysome may help solve this problem because its outer shell blocks out oxygen, protecting the enzymes inside from its toxic effects.

This research was funded by the US Army Research Office.

مصدر القصة:

المواد المقدمة من كلية الطب بجامعة هارفارد. Original written by Elizabeth Dougherty. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


شاهد الفيديو: كيفيه التخلص من الامونيا ومشاكلها فى احواض اسماك الزينة (كانون الثاني 2023).