研究人員發現增強微生物呼吸作用能產生更多能量

2020-12-08 中華人民共和國科學技術部


圖片來源：TU Denmark

　　細胞如何產生並利用能量？這個問題看似簡單，但答案卻並非如此。此外，了解微生物細胞工廠如何消耗能量以及分配蛋白質，這在工業發酵過程中至關重要。
　　近日，發表在美國國家科學院院刊（PNAS）上的一項研究表明，通過優化發酵條件，可以引起大腸桿菌和麵包酵母從發酵到呼吸的代謝轉變。這種轉變可以推動細胞產生更多的內部能量（ATP）。

　　該研究通訊作者、瑞典查爾莫斯理工大學教授、丹麥技術大學諾和諾德生物可持續性基金會的科研主任Jens Nielsen說：「這一信息可以用於設計改進的新型細胞工廠。」
　　細胞不斷從葡萄糖中產生一種被稱為ATP的高能分子。ATP被細胞內的酶消耗掉，酶利用這種能量構造生物質或者完成其他細胞工作。在其他因素相同的情況下，可用的ATP越多，微生物在發酵過程中就表現得越好。
　　研究人員通過一種計算方法發現ATP可以通過兩種途徑產生：高產量呼吸途徑（每個葡萄糖分子產生23.5個ATP）和低產量發酵途徑（每個葡萄糖分子產生11個ATP）。


圖片來源：PNAS

　　這兩種途徑相互補充，但是研究人員發現，改變發酵環境以及糖和蛋白質的數量，可以改變這兩者之間自然的平衡。此外，他們還證實，在相同的速率下，高產量途徑比低產量途徑需要更多的蛋白質。
　　他們還發現，通過一些手段，提高一些關鍵酶的活性，能使細胞產生從低產量的發酵到高產量呼吸的代謝轉變。這種轉變既能夠產生更多的細胞內ATP，也避免了發酵副產物的積累，比如大腸桿菌內的乙酸鹽和麵包酵母中的乙醇。
　　此外，研究人員還發現，表現最佳的細胞實際上同時使用了兩種途徑，不僅僅是高產的途徑，而且更多的蛋白質意味著在特定途徑中效率更高。
論文連結：https://www.pnas.org/content/116/35/17592

相關焦點

  • 複習十二植物的呼吸作用
    或者在手機下方的菜單中查找）植物的呼吸作用 課後作業1．在我國東北某林地，研究者測定了六月份某一天中，土壤二氧化碳釋放速率與林內大氣二氧化碳含量，結果如下圖。下列敘述不正確的是 （  ）   A.土壤釋放的二氧化碳可來自植物根系和土壤生物的呼吸作用   B.9~15點大氣二氧化碳含量較低原因是土壤釋放二氧化碳減少   C.植物吸收林內二氧化碳，對維持生物圈碳-氧平衡起重要作用   D.土壤微生物分解有機物，對生態系統的物質循環起重要作用2.
  • 生物中的呼吸作用、光合作用及之間聯繫
    （馬上點標題下「高中生物」關注可獲得更多知識乾貨，每天更新喲！）如果某生物產生二氧化碳和消耗的氧氣量相等，則該生物只進行有氧呼吸；如果某生物不消耗氧氣，只產生二氧化碳，則只進行無氧呼吸；如果某生物釋放的二氧化碳量比吸收的氧氣量多，則兩種呼吸都進行。 呼吸作用產生ATP的生理過程 有氧呼吸、光反應、無氧呼吸（暗反應不能產生）。
  • 呼吸作用的指標、影響因素及應用
    呼吸作用的指標與影響因素一.呼吸作用的指標1.呼吸速率又稱呼吸強度，指單位鮮重的活細胞（組織）在單位時間消耗氧氣的量或者生成二氧化碳的量5.機械損傷機械損傷會使植物的呼吸作用明顯增強。可能的原因有：破壞了酚氧化酶與呼吸底物的分隔；細胞脫分化為分生組織或愈傷組織，DNA、RNA、蛋白質合成加快，需要更多的能量和新物質。
  • 高三生物教學教案:呼吸作用
    2、通過讓學生對比有氧呼吸和無氧呼吸的異同、光合作用和呼吸作用的異同，培養學生列表比較能力和歸納的能力。 　　三、情感、態度、價值觀方面 　　通過引導學生討論利用光合作用、呼吸作用的原理，提出使作物增產的措施，激發學生學習生物學的興趣，增強學生對科學、技術、社會的理解，培養學生關心身邊的科學的意識，同時進行生命科學價值觀的教育。
  • 高三生物教學教案:生物的呼吸作用
    A、第一階段：在細胞質的基質中，一個分子的葡萄糖分解成兩個分子的丙酮酸，同時脫下4個[H];在葡萄糖分解的過程中釋放出少量的能量，其中一部分能量用於合成ATP，產生少量的ATP。 　　C、第三階段：在線粒體的內膜上，前兩階段脫下的共24個[H]與從外界吸收或葉綠體光合作用產生的6個O2結合成水;在此過程中釋放大量的能量，其中一部分能量用於合成ATP，產生大量的ATP。 　　教師可指導學生把有氧呼吸的三個階段進行表解分析。
  • 第二節 綠色植物的呼吸作用
    2.舉例說出呼吸作用的原理在農業生產和日常生活中的應用。能力目標：1.在實驗中培養學生猜想、觀察、推理、分析、綜合能力和創造思維能力。2.在實驗中培養學生動手、動腦的能力，體驗科學探究的一般過程情感、態度和價值觀目標：   1.在實驗中認同科學研究的求實、嚴謹、培養團結協作的團隊精神。
  • 第四章 植物的呼吸作用
    ，放出二氧化碳並形成水，同時釋放能量的過程。C6H12O6+6O2 → 6CO2+6H2O+能量       △Gө』= -2870KJ/mol（△Gө』指pH為7時標準自由能的變化）無氧呼吸：在無氧條件下，細胞把某些有機物分解成為不徹底的氧化產物，同時釋放能量的過程（在高等植物中稱為無氧呼吸（能產生酒精、乳酸），在微生物中稱為發酵）衡量呼吸作用的指標
  • 科學家在太平洋水域發現奇特的「砷呼吸」微生物
    傳統研究指出，砷對幾乎所有生物都有著巨大的毒性。但是近日，華盛頓大學的研究人員們發現，在廣袤的太平洋中，某些微生物不僅可以耐受，甚至可以做到「連呼吸中都帶著砷元素」。顯然，這項研究讓我們對生命如何適應環境的變化、以及在其它星球上探尋生命，有了更加獨到的見解。（圖自：Noelle Held / Woods Hole 海洋研究所，via New Atlas）在地球上，許多生物都需要通過呼吸作用，讓氧氣在身體的細胞中流動。
  • 動植物進行呼吸作用的主要場所分別是什麼
    生物體內的有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳或其他產物，並且釋放出能量的總過程，叫做呼吸作用。那麼，動植物進行呼吸作用的主要場所是哪裡呢？
  • 研究發現深海微生物抵禦重金屬脅迫新機制
    研究發現，一株深海冷泉芽孢桿菌在受到因重金屬鎘存在而產生的大量一氧化氮（NO）活性氧的脅迫時，能夠通過吸收鈣離子促進鐵離子吸收，進而激活NO雙加氧酶活性將NO轉化為NO3-，隨後促進硝酸根還原酶、亞硝酸根還原酶等一系列與氮元素循環相關的關鍵酶活性，最終將NO活性氧壓力轉化為氮循環的驅動力
  • 「殭屍」微生物重新定義了生命的能量極限
    能量驅動地球，它是所有生物成長、發展和運轉所必須的東西。但是細胞需要消耗多少能量呢？海底下的沉積物微生物（可能超過海洋本身發現的微生物細胞）正在提供一些令人驚訝的答案。這種生物不僅挑戰了科學家認為他們了解生命能量需求的知識，而且暗示了定義生命是什麼以及我們將在何處找到生命的新方法。
  • 高中生物:呼吸作用、光合作用及之間聯繫
    ④能量變化：光反應中光能→ATP中活躍的化學能，在暗反應中ATP中活躍的化學能→CH2O中穩定的化學能。⑤聯繫：光反應產物[H]是暗反應中CO2的還原劑，ATP為暗反應的進行提供了能量，暗反應產生的ADP和Pi為光反應形成ATP提供了原料。
  • 高三生物教案:《光合作用和呼吸作用》教學設計
    2、影響呼吸作用的因素：　　①溫度：溫度能影響呼吸作用，主要是影響呼吸酶的活性。一般而言，在一定的溫度範圍內，呼吸強度隨著溫度的升高而增強。如圖曲線所示。根據溫度對呼吸強度的影響原理，在生產實踐上貯藏蔬菜和水果時應該降低溫度，以減少呼吸消耗。溫度降低的幅度以不破壞植物組織為標準，否則細胞受損，對病原微生物的抵抗力大減，也易腐爛損壞。
  • 地球最深處:研究人員在馬裡亞納海溝底部發現微生物
    不過研究人員卻發現這裡確實存在著生命。 研究人員發現，雖然這裡的水壓相較地球表面的壓力大出1000倍，但仍有微生物在這裡棲息。前往此海域的探險是在2010年進行的，研究人員稱他們將機器人送往馬裡亞納海溝深處，進行微生物生命的探尋與評估。進行這項實驗的原因在於，某一類微生物就適宜居住在壓力極大的環境中。據研究人員所說，馬裡亞納海溝底部的微生物數量相較周圍的海域多出10倍。研究人員表示，這裡相當適宜這類微生物居住，因為這裡存在大量腐爛物質，另外能在這樣的位置生存的生物是絕對的少數。
  • 植物呼吸作用
    2.生理意義 （1）為植物提供生命活動所需的能量（2）中間產物是合成植物體內重要有機物質的原料（3）在植物抗病免疫方面有著重要作用3.線粒體的結構與功能進行呼吸作用的細胞器，呈球狀、棒狀或細絲狀等。代謝旺盛的細胞中線粒體數目較多，細胞中的線粒體既可隨細胞質的運動而運動，也可自主運動移向需要能量的部位。
  • 初中生物練習題之呼吸作用
    （1）要驗證綠色植物的呼吸作用，需將裝置放置在黑暗的環境中，目的是避免瓶內的植物進行__________作用，對實驗結果產生幹擾。   　　（2）在黑暗中放置較長時間後，發現廣口瓶中澄清的石灰水變得__________，表明植物__________作用釋放的__________與澄清石灰水發生了反應。
  • 以色列研究人員稱發現首個無氧呼吸的已知多細胞寄生動物
    但以色列特拉維夫大學日前宣布，該校研究團隊發現了地球上首個不需要氧氣就可以生存的已知多細胞寄生動物。        這種名為鮭生粘孢子蟲的動物是一種生活在鮭魚肌肉中的寄生蟲，由不到10個細胞組成。        特拉維夫大學動物學家多蘿泰·於雄領導的研究團隊在對鮭生粘孢子蟲基因進行檢測和測序時發現，與其他所有已知動物不同，這種寄生蟲不具有與呼吸作用相關的線粒體基因組，而且丟失了幾乎所有參與線粒體基因組轉錄和複製的核基因，這意味著它們不具有進行有氧呼吸的能力。
  • 科研人員發現土壤微生物與農作物產量關係密切
    新華社南京10月22日電（記者王珏玢）記者22日從中國科學院南京土壤研究所獲悉，中國、西班牙學者近期發現，土壤中的關鍵菌群與農作物產量關係密切。保護土壤中的關鍵菌群，或能達到減肥增產的效果。　　領導此項研究的中科院南京土壤所研究員褚海燕介紹，以往觀念裡，影響農作物產量的因素主要是旱澇、霜凍等氣候災害，以及化肥施用和病害等。但其實，土壤中種類最多、生物量最大的微生物群體，也在農作物生長過程中發揮重要作用，卻常常被人們忽略。　　此次，研究團隊基於安徽蒙城小麥試驗田的數據，系統研究了土壤微生物與農作物產量的關係。
  • 呼吸酶、呼吸作用及量子隧穿（讀書筆記）
    （2）呼吸作用的目的，是透過釋放食物裡之能量，以製造三磷酸腺苷（ATP），即細胞最主要的直接能量供應者。呼吸作用的過程，可以比擬為氫與氧的燃燒，但兩者間最大分別是：呼吸作用透過一連串的反應步驟，一步步使食物中的能量放出，而非像燃燒般的一次性釋放。
  • 二氧化碳傳感器用於研究酵母呼吸作用實驗
    工採網了解到的典型的實驗包括：測量動物和昆蟲呼吸過程中的CO2濃度變化、觀察植物的光合作用、研究酵母的呼吸作用、及其他研究涉及二氧化碳參與或形成的化學反應等。在微生物的厭氧呼吸過程中，一些微生物會產生酒精，例如：酵母菌；有些會產生乳酸。如：乳酸菌。高等植物在淹沒時可以進行無氧呼吸以產生酒精和二氧化碳。酒精對植物有毒害作用，這也是發洪水時，被洪水淹沒的植物容易死亡的主要原因之一。