ميثيلوتروف

الميثيلوتروفات مجموعة متنوعة من الكائنات الدقيقة التي تستخدم مركبات الكربون الأحادي المختزلة ، مثل الميثانول والميثان ، كمصدر للكربون لنموها؛ ومركبات الكربون المتعددة التي لا تحتوي على روابط كربون-كربون، مثل ثنائي ميثيل الإيثر وثنائي ميثيل أمين . تشمل هذه المجموعة أيضًا الكائنات القادرة على استيعاب مركبات الكربون الأحادي المختزلة عبر ثاني أكسيد الكربون باستخدام مسار ريبولوز ثنائي الفوسفات . ^{[ 1 ]} يجب عدم الخلط بين هذه الكائنات والميثانوجينات التي تنتج الميثان كمنتج ثانوي من مركبات الكربون الأحادي المختلفة، مثل ثاني أكسيد الكربون. بعض الميثيلوتروفات قادرة على تحليل غاز الميثان ، وهو أحد غازات الدفيئة ، وفي هذه الحالة تُسمى ميثانوتروفات . وفرة الميثانول ونقائه وانخفاض تكلفته مقارنةً بالسكريات الشائعة الاستخدام تجعل الميثيلوتروفات كائنات كفؤة لإنتاج الأحماض الأمينية والفيتامينات والبروتينات المؤتلفة والبروتينات أحادية الخلية والإنزيمات المساعدة والسيتوكرومات .

يُعد الفورمالديهايد المركب الوسيط الرئيسي في استقلاب الميثيلوتروف ، والذي يمكن توجيهه إما إلى مسارات التمثيل الغذائي أو مسارات التفكيك. ^{[ 2 ]} تُنتج الميثيلوتروفات الفورمالديهايد من خلال أكسدة الميثانول و/أو الميثان. تتطلب أكسدة الميثان إنزيم مونوأكسيجيناز الميثان ( MMO ). ^{[ 3 ] [ 4 ]} تُسمى الميثيلوتروفات التي تحتوي على هذا الإنزيم بالميثانوتروفات . يمكن أن تكون أكسدة الميثان (أو الميثانول) تمثيلية أو تفكيكية (انظر الشكل). في حالة التفكيكية، يتأكسد الفورمالديهايد الوسيط كليًا إلى${\displaystyle {\ce {CO2}}}$لإنتاج عامل الاختزال والطاقة. ^{[ 5 ] [ 6 ]} في حالة الاستيعاب، يُستخدم وسيط الفورمالديهايد لتخليق 3-كربون (${\displaystyle {\ce {C3}}}$مركب لإنتاج الكتلة الحيوية. ^{[ 2 ] [ 7 ]} تستخدم العديد من الكائنات الحية التي تتغذى على الميثيل مركبات متعددة الكربون في عمليات البناء، مما يحد من استخدامها للفورمالديهايد في عمليات التفكيك، ومع ذلك، فإن الكائنات الحية التي تتغذى على الميثان تقتصر عمومًا على${\textstyle {\ce {C1}}}$الأيض. ^{[ 2 ] [ 5 ]}

المركبات المعروفة بدعم عملية التمثيل الغذائي الميثيلوتروفي ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

مركبات الكربون الأحادي	الصيغة الكيميائية	مركبات متعددة الكربون	الصيغة الكيميائية
أول أكسيد الكربون	${\displaystyle {\ce {CO}}}$	ثنائي ميثيل الإيثر	${\displaystyle {\ce {(CH3)2O}}}$
الفورمالديهايد	${\displaystyle {\ce {CH2O}}}$	ثنائي ميثيل أمين	${\displaystyle {\ce {(CH3)2NH}}}$
فورماميد	${\displaystyle {\ce {HCONH2}}}$	كبريتيد ثنائي الميثيل	${\displaystyle {\ce {(CH3)2S}}}$
حمض الفورميك	${\displaystyle {\ce {HCOOH}}}$	رباعي ميثيل الأمونيوم	${\displaystyle {\ce {(CH3)4N+}}}$
الميثان	${\displaystyle {\ce {CH4}}}$	ثلاثي ميثيل أمين	${\displaystyle {\ce {(CH3)3N}}}$
الميثانول	${\displaystyle {\ce {CH3OH}}}$	أكسيد ثلاثي ميثيل أمين	${\displaystyle {\ce {(CH3)3NO}}}$
ميثيل أمين	${\displaystyle {\ce {CH3NH2}}}$	ثلاثي ميثيل سلفونيوم	${\displaystyle {\ce {(CH3)3S+}}}$
هاليد الميثيل	${\displaystyle {\ce {CH3X}}}$

البناء

يتمثل التحدي الأيضي الرئيسي للكائنات الحية التي تتغذى على الميثانول في استيعاب وحدات الكربون المفردة في الكتلة الحيوية. ومن خلال التخليق الحيوي، يجب على هذه الكائنات تكوين روابط كربون-كربون بين ذرات الكربون المفردة (${\displaystyle {\ce {C1}}}$(جزيئات). هذه عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة، تتجنبها الكائنات الحية الاختيارية التغذية على الميثانول باستخدام مجموعة من المركبات العضوية الأكبر حجمًا. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، يجب على الكائنات الحية الإجبارية التغذية على الميثانول استيعاب${\displaystyle {\ce {C1}}}$الجزيئات. ^{[ 2 ] [ 5 ]} هناك أربعة مسارات استيعاب متميزة تشترك في فكرة توليد جزيء واحد${\displaystyle {\ce {C3}}}$الجزيء. ^{[ 2 ]} تستخدم البكتيريا ثلاثة من هذه المسارات ^{[ 7 ] [ 11 ]} بينما تستخدم الفطريات مسارًا واحدًا. ^{[ 17 ]} تتضمن جميع المسارات الأربعة 3${\displaystyle {\ce {C1}}}$تحوّل الجزيئات إلى وسائط متعددة الكربون، ثم تقسم أحد هذه الوسائط إلى وسيط جديد${\displaystyle {\ce {C3}}}$الجزيء. يتم إعادة ترتيب الوسائط المتبقية لإعادة توليد الوسائط الأصلية متعددة الكربون.

البكتيريا

لكل نوع من أنواع البكتيريا الميثيلية مسار استيعاب رئيسي واحد. ^{[ 5 ]} المسارات الثلاثة المعروفة لاستيعاب الكربون هي مسار أحادي فوسفات الريبولوز (RuMP) ومسار السيرين لاستيعاب الفورمالديهايد، بالإضافة إلى مسار ثنائي فوسفات الريبولوز (RuBP) لاستيعاب _ثاني أكسيد الكربون . ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 11 ] [ 18 ]}

دورة ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP)

بخلاف مسارات التمثيل الغذائي الأخرى، تستمد البكتيريا التي تستخدم مسار RuBP كل الكربون العضوي الخاص بها من${\displaystyle {\ce {CO2}}}$الاستيعاب. ^{[ 5 ] [ 19 ]} تم توضيح هذا المسار لأول مرة في الكائنات ذاتية التغذية الضوئية، وهو معروف باسم دورة كالفن . ^{[ 19 ] [ 20 ]} بعد ذلك بوقت قصير، تم اكتشاف البكتيريا الميثيلية التي يمكنها النمو على أسطح مختزلة.${\displaystyle {\ce {C1}}}$تم العثور على المركبات باستخدام هذا المسار. ^{[ 21 ]}

أولًا، تُفسفر ثلاث جزيئات من ريبولوز 5-فوسفات إلى ريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات ( RuBP ). يقوم إنزيم ريبولوز ثنائي الفوسفات كاربوكسيلاز ( RuBisCO ) بكربوكسلة جزيئات RuBP هذه، مما ينتج عنه ست جزيئات من 3-فوسفوجليسيرات ( PGA ). يقوم إنزيم فوسفوجليسيرات كيناز بفسفرة PGA إلى 1،3-ثنائي فوسفوجليسيرات (DPGA). يؤدي اختزال ست جزيئات من DPGA بواسطة إنزيم جليسرالدهيد فوسفات ديهيدروجينيز إلى إنتاج ست جزيئات من${\displaystyle {\ce {C3}}}$مركب جليسرالدهيد-3-فوسفات ( GAP ). يتم توجيه جزيء واحد من GAP نحو الكتلة الحيوية، بينما تقوم الجزيئات الخمسة الأخرى بتجديد جزيئات ريبولوز 5-فوسفات الثلاثة. ^{[ 7 ] [ 20 ]}

دورة أحادي فوسفات الريبولوز (RuMP)

تم الاشتباه بوجود مسار جديد عندما لم يُعثر على إنزيم روبيسكو في بكتيريا الميثانوتراف ميثيل موناس ميثانيكا . ^{[ 22 ]} ومن خلال تجارب الوسم الإشعاعي، تبيّن أن ميثيل موناس ميثانيكا تستخدم مسار ريبولوز أحادي الفوسفات (RuMP). وقد دفع هذا الباحثين إلى اقتراح أن دورة RuMP ربما سبقت دورة RuBP. ^{[ 5 ]}

على غرار دورة RuBP، تبدأ هذه الدورة بثلاث جزيئات من ريبولوز-5-فوسفات. ولكن بدلاً من فسفرة ريبولوز-5-فوسفات، تُكوّن ثلاث جزيئات من الفورمالديهايد رابطة كربون-كربون من خلال تكثيف ألدول ، مما ينتج عنه 3${\displaystyle {\ce {C6}}}$جزيئات من 3-هكسولوز 6-فوسفات (فوسفات الهكسولوز). يُحوّل أحد هذه الجزيئات إلى جليسريد فوسفات (GAP) وإما بيروفات أو ثنائي هيدروكسي أسيتون فوسفات ( DHAP ). يُستخدم البيروفات أو DHAP في إنتاج الكتلة الحيوية، بينما تُستخدم جزيئتا فوسفات الهكسولوز المتبقيتان وجزيء GAP لإعادة تكوين جزيئات ريبولوز-5-فوسفات الثلاث. ^{[ 6 ] [ 22 ]}

دورة السيرين

على عكس مسارات التمثيل الغذائي الأخرى، تستخدم دورة السيرين الأحماض الكربوكسيلية والأحماض الأمينية كمركبات وسيطة بدلاً من الكربوهيدرات. ^{[ 5 ] [ 23 ]} في البداية، تُضاف جزيئتان من الفورمالديهايد إلى جزيئتين من حمض الجلايسين الأميني . ينتج عن ذلك جزيئتان من حمض السيرين الأميني ، وهو المركب الوسيط الرئيسي في هذا المسار. تُنتج جزيئات السيرين هذه في النهاية جزيئتين من 2-فوسفوجليسيرات ، مع جزيء واحد من كل منهما.${\displaystyle {\ce {C3}}}$تُستخدم جزيئة واحدة لإنتاج الكتلة الحيوية، بينما تُستخدم الأخرى لتجديد الجلايسين. والجدير بالذكر أن تجديد الجلايسين يتطلب جزيئة واحدة من${\displaystyle {\ce {CO2}}}$لذلك، يختلف مسار السيرين أيضًا عن المسارات الثلاثة الأخرى من حيث حاجته إلى كل من الفورمالديهايد و${\displaystyle {\ce {CO2}}}$[ ^{22 ] [ 23 ]​}

الخمائر

يختلف استقلاب الخميرة الميثيلية عن البكتيريا بشكل أساسي في الإنزيمات المستخدمة ومسار استيعاب الكربون. فعلى عكس البكتيريا التي تستخدم إنزيم نازع هيدروجين الميثانول البكتيري (MDH)، تقوم الخميرة الميثيلية بأكسدة الميثانول في البيروكسيسومات باستخدام إنزيم مؤكسد كحولي غير متخصص. ينتج عن ذلك الفورمالديهايد وبيروكسيد الهيدروجين . ^{[ 24 ] [ 25 ]} من المرجح أن يؤدي حصر هذا التفاعل في البيروكسيسومات إلى عزل بيروكسيد الهيدروجين الناتج. ويتم إنتاج إنزيم الكاتالاز في البيروكسيسومات للتعامل مع هذا الناتج الثانوي الضار. ^{[ 17 ] [ 24 ]}

دورة ثنائي هيدروكسي أكتين (DHA)

يوجد مسار ثنائي هيدروكسي أسيتون (DHA)، المعروف أيضًا باسم مسار أحادي فوسفات الزيلولوز (XuMP)، حصريًا في الخميرة. [ 24 ^{] [ 26 ] يدمج هذا} المسار ثلاث جزيئات من الفورمالديهايد في جزيء واحد من ثنائي هيدروكسي أسيتون فوسفات (DHAP) باستخدام ثلاث جزيئات من زيلولوز 5-فوسفات كوسيط رئيسي.

يعمل إنزيم DHA synthase كناقل (ترانسكيتولاز) لنقل جزء من زيلولوز 5-فوسفات إلى DHA. ثم تُفسفر جزيئات DHA الثلاثة هذه إلى DHAP بواسطة إنزيم تريوكيناز . ومثل الدورات الأخرى، 3${\displaystyle {\ce {C3}}}$تُنتَج الجزيئات، ويُوجَّه جزيء واحد منها لاستخدامه كمادة خلوية. أما الجزيئان الآخران فيُستخدَمان لتجديد زيلولوز 5-فوسفات. ^{[ 27 ]}

باعتبارها عناصر أساسية في دورة الكربون ، تعمل الكائنات الحية التي تتغذى على الميثان على الحد من ظاهرة الاحتباس الحراري بشكل رئيسي من خلال امتصاص غاز الميثان وغيره من غازات الدفيئة. في البيئات المائية، تنتج العتائق المنتجة للميثان ما بين 40 و50% من غاز الميثان في العالم. ويؤدي التكافل بين العتائق المنتجة للميثان والبكتيريا التي تتغذى على الميثان إلى تقليل كمية الميثان المنبعثة في الغلاف الجوي بشكل كبير. ^{[ 28 ]}

يُعدّ هذا التكافل بالغ الأهمية في البيئة البحرية أيضًا. فالبكتيريا البحرية عنصر أساسي في الشبكات الغذائية والدورات البيوجيوكيميائية ، لا سيما في المياه السطحية الساحلية، وكذلك في النظم البيئية الرئيسية الأخرى كالفتحات الحرارية المائية . وتشير الأدلة إلى وجود مجموعات واسعة ومتنوعة من الكائنات الحية الدقيقة الميثيلية في المحيط، والتي يُحتمل أن تُؤثر بشكل كبير على النظم البيئية البحرية والمصبّية . ^{[ 29 ]}   وتنتشر مركبات الكربون الأحادي، التي تستخدمها هذه الكائنات كمصدر للكربون والطاقة، في جميع أنحاء المحيط. وتشمل هذه المركبات الميثان ، والميثانول ، والأمينات الميثيلية ، وهاليدات الميثيل، ومركبات الكبريت الميثيلية، مثل ثنائي ميثيل الكبريتيد (DMS) وثنائي ميثيل سلفوكسيد ( DMSO ). ^{[ 30 ]} وتُنتج بعض هذه المركبات بواسطة العوالق النباتية، بينما يأتي بعضها الآخر من الغلاف الجوي. وقد وجدت الدراسات التي شملت نطاقًا أوسع من الركائز أحادية الكربون تنوعًا متزايدًا في البكتيريا الميثيلية، مما يشير إلى أن تنوع هذه المجموعة البكتيرية لم يتم استكشافه بالكامل بعد. ^{[ 30 ]}

نظرًا لأن هذه المركبات متطايرة وتؤثر على المناخ والغلاف الجوي، فإن البحث في تفاعل هذه البكتيريا مع مركبات الكربون الأحادي هذه يُسهم في فهم تدفقات هذه المركبات بين الهواء والبحر، مما يؤثر بدوره على التنبؤات المناخية. ^{[ 31 ] [ 29 ]} على سبيل المثال، لا يزال من غير المؤكد ما إذا كان المحيط مصدرًا صافيًا أو مستودعًا للميثانول الجوي، ولكن مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة التي تتغذى على الميثانول تستخدمه كمصدر رئيسي للطاقة. في بعض المناطق، وُجد أن هذه الكائنات تستهلك الميثانول بشكل صافٍ، ^{[ 32 ]} بينما في مناطق أخرى ، وُجد أن ناتج نشاطها، وهو ميثيل أمين ، ينبعث من المحيط ويُشكّل رذاذًا. ^{[ 29 ]} يعتمد الاتجاه الصافي لهذه التدفقات على استخدام الكائنات الحية الدقيقة التي تتغذى على الميثانول.

أظهرت الدراسات أن قدرة الكائنات الحية على استهلاك الميثانول تتفاوت بتفاوت إنتاجية النظام البيئي، لذا من المرجح أن تكون تأثيرات استهلاك الميثانول موسمية. ولأن بعض مركبات الكربون الأحادي التي تستخدمها هذه الكائنات، مثل الميثانول و TMAO ، تُنتجها العوالق النباتية، فإن توافرها سيختلف زمانيًا وموسميًا تبعًا لازدهار العوالق النباتية ، والظواهر الجوية، وغيرها من مدخلات النظام البيئي. ^{[ 33 ]} وهذا يعني أنه من المتوقع أن يتبع استقلاب الميثانول ديناميكيات مماثلة، مما سيؤثر بدوره على الدورات البيوجيوكيميائية وتدفقات الكربون. ^{[ 29 ]}

وُجدت آثار الكائنات الميثيلية أيضًا في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار . وقد عبّرت هذه الكائنات، إلى جانب مؤكسدات الكبريت ومؤكسدات الحديد، عن بروتينات أساسية مرتبطة بتثبيت الكربون . ^{[ 34 ]} ستساهم هذه الدراسات في فهم أعمق لدورة الكربون في أعماق البحار والترابط بين دورة الكربون في أعماق المحيط ودورة الكربون على سطحه. وقد ساهم التوسع في تقنيات علم الجينوم والبروتيوميات في تسريع الأبحاث حول تنوع الكائنات الميثيلية، ووفرتها ونشاطها في بيئات متنوعة ، وتفاعلاتها بين الأنواع. ^{[ 35 ]} لا بد من إجراء المزيد من الأبحاث حول هذه البكتيريا والتأثير الكلي لعملية سحب وتحويل مركبات الكربون الأحادي بواسطة البكتيريا في المحيط. تشير الأدلة الحالية إلى دور محتمل وهام للكائنات الميثيلية في المحيط في دورة الكربون، وكذلك في دورات النيتروجين والكبريت والفوسفور العالمية، بالإضافة إلى تدفق مركبات الكربون بين الهواء والبحر، مما قد يكون له تأثيرات على المناخ العالمي. ^{[ 31 ]}

يُعدّ استخدام الكائنات الحية الدقيقة الميثيلية في القطاع الزراعي أحد الطرق التي يُمكن أن تُؤثر بها على البيئة. تُوفّر الأسمدة الكيميائية التقليدية عناصر غذائية غير متوفرة بسهولة في التربة، ولكنها قد تُسبب بعض الآثار البيئية السلبية، كما أنها مُكلفة الإنتاج. ^{[ 36 ]} تتمتع الكائنات الحية الدقيقة الميثيلية بإمكانات عالية كأسمدة حيوية ومُلقّحات حيوية بديلة، وذلك لقدرتها على تكوين علاقات تكافلية مع العديد من أنواع النباتات. ^{[ 37 ]} تُزوّد ​​هذه الكائنات النباتات بعناصر غذائية مثل الفوسفور الذائب والنيتروجين المُثبّت، كما تُساهم في امتصاص هذه العناصر. ^{[ 36 ] [ 37 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُمكنها مُساعدة النباتات على الاستجابة للضغوط البيئية من خلال إنتاج الهرمونات النباتية . ^{[ 36 ]} كما يُثبّط نمو الكائنات الحية الدقيقة الميثيلية نمو مُسبّبات الأمراض النباتية الضارة، ويُحفّز المقاومة الجهازية. ^{[ 37 ]} وقد أظهرت الدراسات أن الأسمدة الحيوية الميثيلية، سواءً استُخدمت بمفردها أو مع الأسمدة الكيميائية، تُحسّن من إنتاجية المحاصيل وجودتها دون فقدان العناصر الغذائية. ^{[ 36 ]}