ميثيلوتروف

البكتيريا

إضافةً إلى ذلك، تم الاشتباه في وجود مسار جديد بعد عدم العثور على إنزيم روبيسكو في الكائن الميثانوتروفي. ومن خلال تجارب وضع العلامات الإشعاعية، تبين أن هذا الكائن يستعمل مسار أحادي فوسفات الريبولوز (RuMP). وقد دفع هذا الاكتشاف الباحثين إلى اقتراح أن دورة RuMP ربما تكون قد سبقت دورة RuBP.

إضافةً إلى ذلك، على عكس مسارات الاستيعاب الأخرى، تستمد البكتيريا التي تستعمل مسار ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP) كل الكربون العضوي الخاص بها من استيعاب ثاني أكسيد الكربون (CO2). تم توضيح هذا المسار لأول مرة في الكائنات ذاتية التغذية الضوئية وهو معروف باسم دورة كالفن. وفيما بعد بفترة وجيزة، تم اكتشاف أن البكتيريا الميثيلوتروفية التي يمكن أن تنمو على المركبات ذات الكربون الفردي (C1) و التى تستعمل هذا المسار.

كذلك، مثل دورة RuBP، تبدأ هذه الدورة بثلاث جزيئات من ريبولوز-5-فوسفات. ومع ذلك، بدلاً من فسفرة ريبولوز-5-فوسفات، يتم تشكيل ثلاث جزيئات من الفورمالديهايد التي تشكل روابط C-C من خلال تكثيف الألدول، مما يؤدي إلى إنتاج ثلاث جزيئات من 3-هكسولوز 6-فوسفات (فوسفات الهكسولوز). يتم تحويل أحد جزيئات فوسفات الهكسولوز هذه إلى GAP، وكذلك إما يتحول إلى البيروفات أو فوسفات ثنائي هيدروكسي أسيتون (DHAP). يتم استخدام البيروفات أو DHAP لتكوين الكتلة الحيوية، بينما يتم استخدام جزيئي فوسفات الهكسولوز الآخرين وجزيء GAP لتجديد الجزيئات الثلاثة من ريبولوز-5-فوسفات.

ومن ناحية أخرى، أولاً، يتم فسفرة ثلاث جزيئات من ريبولوز 5-فوسفات إلى ريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات (RuBP). يقوم إنزيم ريبولوز ثنائي فوسفات كاربوكسيلاز (RuBisCO) بكربكسله (أضافة مجموعة كربوكسيل) لجزيئات RuBP هذه، مما ينتج عنه ستة جزيئات من 3-فوسفوجليسرات (PGA). يقوم إنزيم فوسفوجليسرات كيناز بفسفرة مركب الـ PGA إلى 1،3-دايفوسفوجليسرات (DPGA). يؤدي اختزال الستة جزيئات DPGA بواسطة إنزيم جليسيرالدهيد فوسفات ديهيدروجينيز إلى إنتاج ستة جزيئات من مركب غليسرالدهيد-3-فوسفات (GAP) الذي يحتوي على ثلاثة ذرات كربون. يتم تحويل جزيء واحد من GAP نحو الكتلة الحيوية، بينما تقوم الجزيئات الخمس الأخرى بتجديد الجزيئات الثلاث من ريبولوز 5-فوسفات.

دورة أحادي فوسفات الريبولوز (RuMP)

كذلك، كل نوع من البكتيريا الميثيلوتروفية يمتلك مسار أيضى لاستيعاب الكربون مهيمن واحد. المسارات الثلاثة المميزة لاستيعاب الكربون هي: مسار ريبولوز أحادي الفوسفات (RuMP)، ومسار سيرين لاستيعاب الفورمالديهايد، إلى جانب مسار ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP) لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون (CO2).

دورة ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP)

دورة سيرين

من جهة ثانية، على عكس مسارات الاستيعاب الأخرى، تستعمل دورة السيرين الأحماض الكربوكسيلية والأحماض الأمينية كوسيطات بدلاً من الكربوهيدرات. أولاً، يتم إضافة جزيئين من الفورمالديهايد إلى جزيئين من حمض الجلايسين الأميني. يؤدي هذا إلى إنتاج جزيئين من حمض السيرين الأميني، وهو الوسيط الرئيسي لهذا المسار. تنتج جزيئات السيرين هذه في النهاية جزيئين من 2-فوسفوجليسرات، مع توجه جزيء واحد يحتوي على ثلاث ذرات كربون نحو الكتلة الحيوية، بينما يستعمل الآخر لتجديد الجلايسين. ومن الجدير بالذكر أن تجديد الجلايسين يتطلب جزيئًا من ثاني أكسيد الكربون (CO2)، مما يجعل مسار السيرين يختلف عن المسارات الثلاثة الأخرى من حيث احتياجه لكل من الفورمالديهايد وCO2.

الخميرة

ومن جهة أخرى، يختلف أيض الخميرة الميثيلوتروفية عن البكتيريا بشكل أساسي بناءً على الإنزيمات المستعملة ومسار استيعاب الكربون. على عكس البكتيريا التي تستعمل إنزيم MDH البكتيري، تقوم الخميرة الميثيلوتروفية بأكسدة الميثانول في بيروكسيسوماتها باستخدام أوكسيديز الكحول غير النوعي non-specific alcohol oxidase. يؤدي هذا إلى إنتاج الفورمالديهايد فضلًا عن بيروكسيد الهيدروجين. من المرجح أن يؤدي تقسيم هذا التفاعل في البيروكسيسومات إلى عزل بيروكسيد الهيدروجين المنتج. وللتعامل مع هذا المنتج الثانوي الضار، يتم إنتاج الكاتالاز في البيروكسيسومات.

وفي السياق ذاته، مسار ثنائي هيدروكسي أسيتون (DHA)، المعروف كذلك باسم مسار أحادي فوسفات الزيلوز (XuMP)، يتواجد حصريًا في الخميرة. حيث يقوم هذا المساربأدماج ثلاث جزيئات من الفورمالديهايد في جزيء واحد من DHAP باستخدام ثلاث جزيئات من زيللوز 5-فوسفات كوسيط رئيسي.

دورة ديهيدروكسياكتيون (DHA)

علاوةً على ذلك، يعمل إنزيم DHA synthase كإنزيم ناقل (ترانسكيتولاز transketolase) لنقل جزء من زيلوز 5-فوسفات إلى DHA. ثم يتم فسفرة هذه الجزيئات الثلاث من DHA إلى DHAP بواسطة تريوكيناز triokinase. مثل المسارات الأيضية الأخرى، يتم إنتاج 3 جزيئات من C3 بحيث يتم توجيه جزيء واحد لاستخدامه كمادة خلوية، بينما يتم استخدام الجزيئين الآخرين لتجديد زيلوز 5-فوسفات.

الاسْتِقْلاب

ومن ناحية أخرى، يُعد الفورمالديهايد الوسيط الأساسي في عمليات التمثيل الغذائي الميثيلي، حيث يمكن توجيهه نحو مسارات استيعابية أو غير استيعابية. تنتج الكائنات الحية الميثيلوتروفية الفورمالديهايد عن طريق أكسدة الميثانول أو الميثان، وتتطلب أكسدة الميثان وجود إنزيم الميثان أحادي الأكسجين (MMO). وهو إنزيم رئيسي في هذا المسار الأيضي. الكائنات الحية الميثيلوتروفية التي تحتوي على هذا الإنزيم تُعرف باسم الميثانوتروفات. يمكن أن تتم عملية أكسدة الميثان أو الميثانول بطريقتين: متماثلة أو متباينة (كما هو موضح في الشكل). في حالة الأكسدة المتباينة، يتم تحويل الفورمالديهايد بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، مما ينتج عنه طاقة وعوامل اختزال. أما في حالة الأكسدة الاستيعابية، فيُستعمل الفورمالديهايد كمصدر للكربون لتخليق مركبات تحتوي على ثلاث ذرات كربون (C₃) تُستعمل لاحقًا في بناء الكتلة الحيوية. تعتمد الكثير من الكائنات الحية الميثيلوتروفية على مركبات متعددة الكربون في عملياتها الحيوية، مما يحد من استخدامها للفورمالديهايد في المسارات غير المتماثلة. ومع ذلك، فإن الميثانوتروفات تتميز بكونها مقيدة بعملية التمثيل الغذائي للمركبات أحادية الكربون (C₁)، مما يجعلها متخصصة في استهلاك الميثان والميثانول كمصدر وحيد للكربون والطاقة.

الهدم

في هذا الإطار، تستعمل الكائنات الحية الميثيلوتروفية سلسلة نقل الإلكترون للحفاظ على الطاقة الناتجة عن أكسدة المركبات أحادية الكربون (C₁). يتطلب التمثيل الغذائي للميثان خطوة تنشيط إضافية للسماح بتحلل الميثان، الذي يتميز بتركيب كيميائي مستقر. يتم تحفيز أكسدة الميثان إلى الميثانول بواسطة إنزيم الميثان أحادي الأكسجين (MMO)، الذي يتضمن دمج ذرة أكسجين واحدة من O₂ في الميثان، بينما يتم اختزال ذرة الأكسجين الأخرى إلى ماء، مما يستدعي وجود مكافئين لقوة الاختزال. فيما بعد، يتم أكسدة الميثانول إلى الفورمالديهايد بواسطة إنزيم الميثانول ديهيدروجينيز (MDH) في البكتيريا، أو بواسطة أوكسيديز الكحول غير النوعي في الخميرة. تنتقل الإلكترونات الناتجة عن أكسدة الميثانول إلى الكينون المرتبط بالغشاء في سلسلة نقل الإلكترون، حيث تُستعمل لإنتاج ATP.

وعلى صعيد آخر، في العمليات غير المتماثلة، يتأكسد الفورمالديهايد بالكامل إلى CO₂ ويتم إفرازه. يتم أكسدة الفورمالديهايد إلى فورمات بواسطة إنزيم نازعة هيدروجين الفورمالديهايد (FALDH)، الذي يوفر الإلكترونات مباشرة إلى الكينون المرتبط بالغشاء في سلسلة نقل الإلكترون، وعادة ما يكون السيتوكروم ب أو ج. في حالة وجود NAD⁺ نازعات الهيدروجين المرتبطة، يتم إنتاج NADH. وأخيرًا، تتم أكسدة الفورمات إلى CO₂ بواسطة إنزيم فورمات ديهيدروجينيز السيتوبلازمي أو المرتبط بالغشاء (FDH)، مما ينتج NADH وCO₂.

البناء

وفي السياق ذاته، التحدي الأيضي الرئيسي للكائنات الحية الميثيلوتروفية هو استيعاب وحدات الكربون الفردية (C1) في الكتلة الحيوية. من خلال التخليق الجديد، يجب على الميثيلوتروفات تشكيل روابط كربون-كربون بين جزيئات الكربون الفرديه. وتُعد هذه العملية كثيفة الطاقة، ولذلك تتجنبها الكائنات الحية الميثيلوتروفية الاختيارية باستخدام مجموعة من المركبات العضوية الأكبر حجمًا. ومع ذلك، فإن الكائنات الحية الميثيلوتروفية الإلزامية ملزمة بامتصاص جزيئات الكربون الفردي (C1). توجد أربعة مسارات استيعاب مميزة تتشارك في توليد جزيء واحد من الكربون الثلاثى C3. تستعمل البكتيريا ثلاثة من هذه المسارات، بينما تستعمل الفطريات مسارًا واحدًا فقط. تتضمن جميع المسارات الأربعة تحويل جزيئات C1 إلى مركبات وسيطة متعددة الكربون، ثم يتم تقسيم أحد المركبات الوسيطة إلى مركبات وسيطة جديدة تحتوي على جزيء C3. يتم إعادة ترتيب المركبات المتبقية لتجديد المركبات المتعددة الكربون الأصلية.

التأثيرات البيئية

ومن جهة أخرى، تم العثور على تأثيرات الميثيلوتروف في فتحات المياه الحرارية في أعماق البحار. أظهرت الميثيلوتروفات، إلى جانب مؤكسدات الكبريت ومؤكسدات الحديد، و التى تعبر عن بروتينات رئيسية مرتبطة بتثبيت الكربون. هذه الدراسات تساهم في فهم أفضل لدورة الكربون في أعماق البحار، والارتباط بين دورة الكربون في أعماق المحيط ودورة الكربون على السطح. أدى توسع تكنولوجيات الجينوم إلى تسريع البحث في تنوع الميثيلوتروف، ووفرتها ونشاطها في مجموعة متنوعة من البيئات، وتفاعلاتها بين الأنواع. لا يزال هناك حاجة إلى المزيد من الأبحاث لفهم التأثير العام لانخفاض مستويات هذه البكتيريا وتحويل المركبات أحادية الكربون في المحيط. تشير الأدلة الحالية إلى دور كبير محتمل للميثيلوتروف في المحيط في دورة الكربون، ولكن كذلك في دورات النيتروجين والكبريت والفوسفور العالمية، إلى جانب تدفق المركبات الكربونية بين الهواء والبحر، مما قد يكون له تأثيرات مناخية عالمية.

علاوةً على ذلك، باعتبارالكائنات الحية الميثيلوتروفية من العناصر الأساسية في دورة الكربون، فأنها تعمل على الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي بالأساس من خلال امتصاص غاز الميثان وغيره من الغازات المسببة للاحتباس الحراري. نجد كذلك أنه في البيئات المائية، تنتج العتائق الميثانوية ما بين 40 إلى 50% من غاز الميثان العالمى. يؤدي التعايش بين الميثانوجينات والبكتيريا الميثانوتروفية إلى تقليل كمية الميثان المنبعثة في الغلاف الجوي بدرجة كبيرة.

وفي هذا الصدد، نظرًا لأن هذه المركبات متطايره وتؤثر على المناخ والغلاف الجوي، فإن البحث في تفاعل تلك الأنواع من البكتيريا مع هذه المركبات أحادية الكربون يمكن أن يساعد كذلك في فهم تدفقات هذه المركباتفيما بين الهواء والبحر، والتي تؤثر على التنبؤات المناخية. مثلًا، من غير المؤكد ما إذا كان المحيط يعمل كمصدر صافٍ أو بالوعة للميثانول الجوي، ولكن مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الميثيلوتروفية تستعمل الميثانول كمصدر رئيسي للطاقة. في بعض المناطق، وجد أن الميثيلوتروفات تعمل كـ "بالوعة" صافية للميثانول، بينما في مناطق أخرى وجد أن أحد منتجات نشاط الميثيلوتروفيات، وهو الميثيل أمين، الذى ينبعث من المحيط ويشكل الهباء الجوي. و الذى يعتمد على الاتجاه الصافي لهذه التدفقات على الاستخدام بواسطة الميثيلوتروفات.

من جهة ثانية، ويعتبر هذا التعايش مهمًا كذلك في البيئة البحرية. حيث تعتبر البكتيريا البحرية مهمة جدًا لشبكات الغذاء والدورة البيوكيميائية، خاصة في المياه السطحية الساحلية، ولكن كذلك في النظم البيئية البحرية الأخرى مثل الفتحات الحرارية المائية. هناك أدلة على وجود مجموعات واسعة النطاق ومتنوعة من الميثيلوتروفات في المحيطات، والتي لديها القدرة على التأثير بدرجة كبيرة على النظم البيئية البحرية والمصبية. المركبات أحادية الكربون التي تستعملها الكائنات الحية الميثيلوتروفية كمصدر للكربون والطاقة توجد في جميع أنحاء المحيط. تتضمن هذه المركبات الميثان، الميثانول، الأمينات المثيلة، هاليدات الميثيل، ومركبات الكبريت المثيلة مثل ثنائي ميثيل كبريتيد (DMS) وثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO). يتم إنتاج بعض هذه المركبات بواسطة العوالق النباتية، بينما يأتي البعض الآخر من الغلاف الجوي. توصلت الدراسات التي شملت مجموعة أوسع من ركائز الكربون الواحد إلى تنوع متزايد في الميثيلوتروفات، مما يشير إلى أن تنوع هذه المجموعة البكتيرية لم يتم استكشافه بالكامل بعد.

من جانب آخر، توصلت الدراسات إلى أن قدرة الميثيلوتروفية تختلف باختلاف إنتاجية النظام، لذا فإن التأثيرات الميثيلوتروفية من المرجح أن تكون موسمية. نظرًا لأن بعض المركبات أحادية الكربون التي تستعملها الكائنات الحية الميثيلوتروفية، مثل الميثانول وأكسيد ثلاثي ميثيل الأمين، يتم إنتاجها بواسطة العوالق النباتية، فإن توفرها يختلف زمنيًا وموسميًا اعتمادًا على مقدار ازدهار العوالق النباتية، والمناخ، ومدخلات النظام البيئي الأخرى. وهذا يعني أن من المتوقع أن يتبع التمثيل الغذائي الميثيلي ديناميكيات مماثلة، وهو ما سيؤثر بدوره على الدورات البيوكيميائية وتدفقات الكربون في البيئه.

من جانب آخر، إن استخدام الميثيلوتروف في القطاع الزراعي يمكن أن يكون له تأثير إيجابي كبير على البيئة. توفر الأسمدة الكيميائية التقليدية العناصر الغذائية التي لا تتوفر بسهولة من التربة، ولكنها قد تكون لها تأثيرات بيئية سلبية، إلى جانب أن إنتاجها مكلف. من جهة أخرى، تمتلك الكائنات الحية الميثيلوتروفية إمكانات عالية كبدائل للأسمدة الحيوية والملقحات الحيوية، وذلك بفضل قدرتها على تكوين علاقات تكافلية مع الكثير من أنواع النباتات. تساهم الكائنات الحية الميثيلوتروفية في تزويد النباتات بالعناصر الغذائية مثل الفوسفور القابل للذوبان والنيتروجين الثابت، كما تلعب دورًا مهمًا في امتصاص هذه العناصر. فضلًا عن ذلك، يمكنها مساعدة النباتات في التكيف مع الضغوط البيئية من خلال إنتاج الهرمونات النباتية. كما تعمل الكائنات الميثيلوتروفية على تثبيط نمو مسببات الأمراض النباتية الضارة وتحفيز المقاومة الجهازية للنباتات. لقد ثبت أن استخدام الأسمدة الحيوية الميثيلية، سواء بمفردها أو مع الأسمدة الكيميائية، يعزز من إنتاجية المحاصيل وجودتها دون فقدان العناصر الغذائية، مما يجعلها خيارًا مستدامًا وفعالًا في الزراعة.