藍藻是一種原核的葉綠素自養(yǎng)生物，能夠在多種環(huán)境中生存。是全球范圍內(nèi)不同環(huán)境中重要的有機物質(zhì)的主要生產(chǎn)者。雖然人們對CO2固定的機理已經(jīng)很了解，但對于固定有機碳在單個細胞和復(fù)雜微生物群落中的流動分布卻知之甚少。本文章研究表明表明D2O探測是分析藍藻代謝的一種強大的方法，包括發(fā)現(xiàn)新的代謝過程。
作者使用氧化氘穩(wěn)定同位素探測和LC-MS測量了藍藻細菌中與其他細胞內(nèi)代謝物相比較的氘摻入相容溶質(zhì)中的情況。選擇模型單細胞廣泛鹽藍細菌Synechococcus sp. PCC 7002和陸生絲狀藍細菌Microcoleus陰道PCC 9802比較這些生理上和系統(tǒng)發(fā)育上不同的藍藻細菌的代謝活性。
圖片來自網(wǎng)絡(luò)
結(jié)果表明氘很容易并入代謝物。氘并入非不穩(wěn)定位置(如碳氫鍵)的部分計算如Methods部分(圖2)所述。不穩(wěn)定氫原子，如羧基，不考慮部分摻入，因為在代謝物提取和LC流動相中使用了不含氘的質(zhì)子溶劑，這會導(dǎo)致?lián)饺氲碾粨Q到不穩(wěn)定位置的質(zhì)子(1H)。
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氘的摻入導(dǎo)致代謝物的相對同位素豐度譜發(fā)生變化。氘的摻入分數(shù)是由含有不同數(shù)量氘的代謝物(C)的同位素理論相對豐度的線性組合計算出來的。N是代謝物中不穩(wěn)定氫的數(shù)量。
聚球菌胞內(nèi)代謝物中氘摻入量的比較。PCC 7002 (A)和Microcoleus vaginatus PCC 9802 (B)。10%的細胞被探測D2O 12 h,在黑暗中12 h,和12 h在隨后12 h在黑暗中。還顯示了對照培養(yǎng)10天或23天在12小時/12小時光/暗循環(huán)下的測量結(jié)果。
細胞在標準的12小時光/暗周期下生長。然后在生長培養(yǎng)中加入10%的D2O，用液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)分析其代謝產(chǎn)物。糖原分析采用淀粉酶處理的甲醇不溶細胞組分，釋放的葡萄糖采用LC-MS分析。通過擬合同位素分布確定了氘在代謝物非交換位置的摻入，并與相容溶質(zhì)、糖原和常見代謝物進行比較。結(jié)果與藍藻在白天固定和儲存碳作為支鏈碳水化合物糖原的結(jié)果一致，而在夜晚作為藍藻細胞主要且通常碳源，在細胞進入黑暗后2-8小時內(nèi)迅速降解。觀察到糖在12小時內(nèi)幾乎成為最大的標記，而在夜間觀察到最小的標記。糖與水作為質(zhì)子進行光合作用，快速地在生長介質(zhì)中的D2O濃度中形成。當D2O在夜間加入12小時后，觀察到的糖的額外標記很少，這表明它們是由之前光照期間積累的未標記糖原和可能的其他生物聚合物制成的。
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