藍(lán)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(jī)物質(zhì)的主要生產(chǎn)者。雖然人們對(duì)CO2固定的機(jī)理已經(jīng)很了解，但對(duì)于固定有機(jī)碳在單個(gè)細(xì)胞和復(fù)雜微生物群落中的流動(dòng)分布卻知之甚少。本文章研究表明表明D2O探測是分析藍(lán)藻代謝的一種強(qiáng)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(lán)藻細(xì)菌中與其他細(xì)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(xì)胞廣泛鹽藍(lán)細(xì)菌Synechococcus sp. PCC 7002和陸生絲狀藍(lán)細(xì)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(lán)藻細(xì)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?xì)滏I)的部分計(jì)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?yàn)樵诖x物提取和LC流動(dòng)相中使用了不含氘的質(zhì)子溶劑，這會(huì)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(duì)同位素豐度譜發(fā)生變化。氘的摻入分?jǐn)?shù)是由含有不同數(shù)量氘的代謝物(C)的同位素理論相對(duì)豐度的線性組合計(jì)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(xì)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(duì)照培養(yǎng)10天或23天在12小時(shí)/12小時(shí)光/暗循環(huán)下的測量結(jié)果。
細(xì)胞在標(biāo)準(zhǔn)的12小時(shí)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(xì)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(jìn)行比較。結(jié)果與藍(lán)藻在白天固定和儲(chǔ)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(lán)藻細(xì)胞主要且通常碳源，在細(xì)胞進(jìn)入黑暗后2-8小時(shí)內(nèi)迅速降解。觀察到糖在12小時(shí)內(nèi)幾乎成為最大的標(biāo)記，而在夜間觀察到最小的標(biāo)記。糖與水作為質(zhì)子進(jìn)行光合作用，快速地在生長介質(zhì)中的D2O濃度中形成。當(dāng)D2O在夜間加入12小時(shí)后，觀察到的糖的額外標(biāo)記很少，這表明它們是由之前光照期間積累的未標(biāo)記糖原和可能的其他生物聚合物制成的。
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