Wanneer mensen een laag ijzergehalte hebben, ze hebben de neiging zich zwak te voelen, vermoeid en duizelig. Deze vermoeidheid voorkomt dat patiënten met bloedarmoede door ijzertekort zich inspannen of zich inspannen om energie te besparen.

evenzo, in omgevingen met een laag ijzergehalte, microben overleven door de koolstofverwerking te vertragen en ijzer uit mineralen te extraheren. Echter, deze strategie vereist dat microben kostbare voedselbronnen investeren in de productie van mineraaloplossende verbindingen. Gezien deze paradox, onderzoekers wilden begrijpen hoe microben overlevingsstrategieën ondersteunen in omgevingen met te weinig ijzer om te gedijen.

IJzer is van cruciaal belang voor het koolstofmetabolisme omdat het nodig is voor de eiwitten die betrokken zijn bij de verwerking van koolstof. Maar omdat zuurstof oplosbaar ijzer minder overvloedig maakt in het milieu, bacteriën werken vaak onder ijzerbeperking en moeten de koolstofopname stoppen of drastisch verminderen.

Kijkend naar een groep bacteriën uit de bodem, onderzoekers van de Northwestern University ontdekten dat deze organismen de beperking in hun koolstofverwerkingsmachine overwinnen door hun metabolische routes om te leiden naar de productie van ijzerbindende verbindingen. De studie is de eerste die metabolomics gebruikt, een techniek met hoge resolutie om de koolstofstroom in de cellen te controleren, om de impact van ijzer op de koolstofcyclus in bacteriële cellen te bestuderen.

De studie is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

Ludmilla Aristilde, een universitair hoofddocent civiele en milieutechniek aan de McCormick School of Engineering, leidde het onderzoek. Haar onderzoeksgroep richt zich op het begrijpen van milieuprocessen waarbij organische stoffen, met gevolgen voor de gezondheid van ecosystemen, landbouwproductiviteit en milieubiotechnologie.

Binnen het netwerk van metabolisme in bacteriën, de citroenzuurcyclus levert de koolstofskeletten die nodig zijn om ijzerbindende verbindingen te maken. Metabolisme van bepaalde koolstofbronnen genereert betere koolstof en brandstof uit de citroenzuurcyclus. IJzerarme bacteriën geven de voorkeur aan koolstofverwerking door de citroenzuurcyclus om meer ijzerbindende verbindingen te produceren. Aristilde zei dat deze bevinding significant is omdat uit het onderzoek blijkt dat anorganische voedingsstoffen een directe impact kunnen hebben op organische processen.

"De hiërarchie in koolstofmetabolisme benadrukt dat selectiviteit in specifiek koolstofgebruik sterk verbonden is met iets dat anorganisch is, "Zei Aristilde. "Om dit in de context van klimaatverandering te plaatsen, we moeten begrijpen welke omstandigheden de koolstofcyclus in de bodem en de bijdrage ervan aan koolstofdioxide beheersen."

Door te focussen op de Pseudomonas-soorten in de bodem, de onderzoeksgroep was in staat om conclusies te trekken over andere soorten. De Pseudomonas-bacteriën komen ook voor als ziekteverwekkers voor mensen en planten, in onze darmen en elders in de omgeving. Aristilde hoopt dat omdat de bacteriën die zij en haar onderzoekers kozen om te bestuderen zo alomtegenwoordig zijn, toekomstig onderzoek zal de bevindingen van haar groep kunnen gebruiken als een routekaart.

Eerder onderzoek bestudeerde het gedrag van organismen met een lagere informatieresolutie. Hoewel wetenschappers genomica hebben gebruikt om te voorspellen wat er kan gebeuren in het metabolisme van soorten op basis van het identificeren en meten van genen, het Aristilde-lab gebruikt metabolomics van de soort om vast te leggen wat er werkelijk gebeurt in het metabolisme. Hun onderzoek geeft aanwijzingen dat veel andere organismen en systemen ook soortgelijke metabolische strategieën kunnen gebruiken.

Als milieutechnisch ingenieur Aristilde zei dat haar studiegebied draait om het begrijpen van mechanismen en het doen van voorspellingen over hoe milieuprocessen zoals de koolstofcyclus zich gedragen. Naast koolstofcycli en klimaatverandering, de studie heeft ook gevolgen voor de gezondheid van planten en mensen. Door te begrijpen hoe bacteriën die verbuigingen veroorzaken, het koolstofmetabolisme veranderen om te concurreren om ijzer in hun plant of menselijke gastheren, kunnen onderzoekers betere doelbehandelingen ontwerpen.