让地球上的生命充满活力:第三条路

地球上几乎所有的生物都从太阳获得能量。在光合作用中，植物和蓝藻细菌将能量固定在碳水化合物中，然后动物和植物都通过分解碳水化合物来释放能量。到目前为止，人们认为在蓝藻细菌和植物中只有两种主要的碳水化合物分解途径。然而，德国基尔大学christian - albrecht - university的Kirstin Gutekunst博士发现了第三种途径——Entner-Doudoroff途径——在蓝藻和植物中的碳水化合物分解中也起着重要作用。

光合作用生物(蓝藻、藻类和植物)将太阳能固定为碳水化合物的过程，以及随后分解释放能量、水和二氧化碳的过程，是地球生命的中心。它们受到了大量的科学研究，人们认为两者的途径和反应已经得到了很好的证实。然而，Gutekunst博士的研究发现，至少在蓝藻和植物中，有一条糖酵解途径以前被忽视了。

太阳能量
所有的生物都需要两样东西才能生存:能量的来源和构成细胞的有机碳的来源。这两种物质都是植物在光合作用中固定的，这使得这个过程对地球上的生命至关重要。在光合作用中，来自阳光的能量被用来将水和大气中的二氧化碳结合成葡萄糖，这是碳水化合物的一种形式。太阳能以化学能的形式储存在葡萄糖分子中碳、氢、氧原子之间的化学键中。

葡萄糖及其衍生物可以继续内置成较大的分子，例如淀粉，蛋白质，脂肪和均匀DNA。或者，它可以再次彻底分解 - 无论是在植物中还是在释放水，二氧化碳和犹豫不决的动物中，都可以分解在植物中 - 储存的能量。能量在称​​为“三磷酸三磷酸腺苷”（ATP）的分子中释放，这是所有细胞的无处不在的能量货币。

来自糖的能量
众所周知，存在两种不同的途径，动物，蓝细菌和植物分解葡萄糖：Embden-meyerhof-parnas（EMP）途径，也称为“糖酵解”和氧化戊糖（OPP）途径。然而，已知诸如细菌和古痤疮的更简单的生物体采用各种途径来从葡萄糖中释放能量。其中一个是Entner-Doudoroff途径。

Gutekunst博士的团队现在已经发现Entner-Doudoroff途径的关键酶，被称为KDPG醛糖酶，实际上广泛存在于光合生物体中，如蓝藻和植物，从苔藓到水稻、大麦、玉米、香蕉、土豆、菠菜、大豆、棉花和烟草等高级植物。在大麦中，他们的分析表明KDPG醛缩酶在种子萌发和根系发育等活跃的生长阶段发挥作用，这表明存在一种运作的Entner-Doudoroff途径。

之前被忽视的Entner-Doudoroff途径实际上在蓝藻和植物中广泛存在

Gutekunst博士和他的同事利用光合作用的蓝藻，也就是聚藻囊藻，开发出了突变体，在这种突变体中，葡萄糖分解的三条途径都被破坏了。他们发现，在没有正常的Entner-Doudoroff通路的突变体中，在光照和葡萄糖存在的情况下，生长速度明显下降。这表明Entner-Doudoroff通路不仅具有功能，而且是聚囊藻生长的重要贡献者。该团队目前正在与来自gatatersleben的Leibniz植物遗传学和作物植物研究研究所的Götz Hensel博士合作，在大麦中开发类似的“敲除”突变体，以测试高等植物中该途径的重要性、行为和需求。

独特的功能
那么，Entner-Doudoroff途径与其他两种分解葡萄糖的途径有什么不同呢?有两个关键的区别。

首先，Entner-Doudoroff途径从葡萄糖释放的能量更少:相对于EMP途径的两个能量货币，每个葡萄糖分子释放一个ATP分子。虽然乍一看这似乎是不利的，但Entner-Doudoroff途径有一些优势。葡萄糖形成和分解的途径在一定程度上是重叠的，但反应发生的方向相反。因此，在光合作用活跃的白天，EMP或OPP途径的作用可以撤销光合作用中发生的反应，导致这两个过程之间的无效循环。以前，人们认为蓝藻按时间顺序划分它们的细胞过程，集中在白天的光合作用和黑暗中的呼吸，从而避免了这个问题。Entner-Doudoroff途径的最大优势是，它与光合作用的任何反应都不重叠，允许蓝藻在白天和晚上分解葡萄糖，释放能量和细胞构建块，而没有徒劳循环的风险。正是在这个时候，Gutekunst的突变研究表明，粘连囊胞菌通过Entner-Doudoroff途径从葡萄糖中释放大量的能量。

成功的共生关系
围绕Entner-Doudoroff途径的一个突出问题是，为什么它只在植物和细菌中发现，而没有在动物中发现。一项进化分析表明，就像光合作用一样，Entner-Doudoroff途径是通过“内共生”过程从蓝藻细菌进入植物的，在这个过程中，一个生物体被另一个生物体吞噬，其基因组的一部分永久性地融入宿主。然而，有趣的是，这种途径并不存在于所有的植物物种中。至关重要的是，它似乎从无处不在的“模型”植物物种——拟南芥(thale cress)——中消失了。拟南芥用于世界各地的遗传、生化和生理研究。这也许可以解释为什么这种途径的重要性一直被忽视了这么长时间。

Gutekunst博士已经推翻了光自养生物中葡萄糖分解的两种途径的范式，现在他想更全面地阐明第三种途径的生理学原理，并将其整合到对蓝藻和植物碳代谢的全面而彻底的修正中。她希望与萨尔大学(Saarland University)的克里斯托弗·维特曼(Christoph Wittmann)教授一起，阐明在植物和蓝藻经历的所有条件下，从光明到黑暗、营养丰富到营养有限的条件下，葡萄糖分解的三种不同机制以及每种机制中相对碳通量的重要性。

Entner-Doudoroff途径是通过内共生从蓝藻转移到植物的，在光合作用运行时尤为重要

这项研究的意义超越了基础知识，延伸到重要的应用，包括为生物技术用途操纵植物和蓝藻细菌的潜力，如生产燃料，包括氢(H₂)作为能量来源、药物或营养物质。是时候审视一下这个被忽视的代谢途径了!