Oude microben die gedijen in enkele van 's werelds meest extreme omgevingen en moderne mensen hebben meer gemeen dan op het eerste gezicht lijkt, namelijk:ze ademen allebei en behouden energie met behulp van een vergelijkbaar moleculair mechanisme, een die zich gedurende miljarden jaren heeft aangepast aan veranderende omgevingsomstandigheden.

De bevindingen, vandaag gepubliceerd in Cel door wetenschappers van Van Andel Research Institute (VARI), Universiteit van Georgia (UGA) en Washington State University, detail de structuur van MBH, een moleculair complex dat betrokken is bij microbiële ademhaling. De beelden met bijna-atomaire resolutie zijn de eerste ooit van MBH en laten zien dat de structuur opmerkelijk veel lijkt op zijn tegenhanger bij mensen, Complexe ik.

"De natuur is heel goed in het vinden van werkende moleculen en ze vervolgens te modificeren en keer op keer te gebruiken. Dit is een goed voorbeeld, " zei Michael W.W. Adams, doctoraat, een UGA Distinguished Research en Georgia Power Professor die al 20 jaar MBH bestudeert. "Het kennen van de structuur van MBH geeft ons nieuwe inzichten in hoe Complex I evolueerde en hoe het zou kunnen werken."

Bijna al het leven op aarde is afhankelijk van ademhaling, die elektrische energie omzet in een bruikbare, chemische vorm. MBH en Complex I zijn belangrijke onderdelen van dit proces; echter, tot nu, de evolutionaire verbinding tussen hen was onduidelijk. De structuur van MBH illustreert ook een mechanisme voor het omzetten van elektrische energie in chemische energie dat eenvoudiger is dan dat in Complex I.

"De bepaling van de structuur van MBH vult enkele belangrijke ontbrekende stukjes aan die onthullen hoe het leven zich door de millennia aanpaste aan ingrijpende veranderingen in de omgeving, " zei Huilin Li, doctoraat, een professor in VARI's Centrum voor Epigenetica en co-senior auteur van het onderzoek. "Dit lost een fundamentele, al lang mysterie in de biologie."

MBH wordt beschouwd als een oud ademhalingssysteem omdat het werd geïsoleerd uit Pyrococcus furiosus , een microbe die het beste groeit in kokend water en die miljarden jaren lang zijn thuis heeft gevonden in vulkanische zeeopeningen. Deze onherbergzame omgeving, met zijn schadelijke gasmengsel en extreme temperaturen, is verwant aan de atmosferische omstandigheden die aanwezig zijn op een veel jongere, veel vluchtiger planeet.

Hoewel veel aspecten van de twee complexen vergelijkbaar zijn, Complex I heeft verschillende extra lussen waardoor het kan interageren met meer moleculen dan MBH, een aanpassing die waarschijnlijk ontstond samen met een verschuiving in de atmosferische samenstelling van de aarde.

"Het is verbazingwekkend om te zien dat deze twee verre verwante systemen hun gedeelde elementen reorganiseren om zich aan te passen aan hun verschillende levensomstandigheden, " zei Hongjun Yu, doctoraat, de eerste auteur van de studie en een onderzoekswetenschapper in Li's lab. "Het lijkt alsof de natuur met haar eigen bouwstenen speelt."

De verschillen worden ook weerspiegeld in hun metabolisme; mensen ademen zuurstof in en kooldioxide uit, een conversie geholpen door Complex I, terwijl P. furiosus gebruikt MBH om waterstofgas te verdrijven, mogelijk het potentieel openen voor het gebruik ervan als een bron van schone energie.

MBH werd gevisualiseerd met behulp van VARI's krachtige Titan Krios cryo-elektronenmicroscoop (cryo-EM), die in staat is moleculen 1/10 af te beelden, 000ste van de breedte van een mensenhaar. De Krios van het Instituut is een van de minder dan 120 van dergelijke microscopen in de wereld.