光呼吸作用（photorespiration）是否是獨立產生的？

 

Thermococcus gammatolerans。圖片來源：維基百科

學過生物學的人對光呼吸作用（photorespiration）應該都不陌生：植物在高溫下，因為「魯必斯科」（RuBisCO）把氧氣當作二氧化碳來用，造成加碳反應成了氧化反應，導致二磷酸核酮糖被氧化，產生2-磷酸甘油醛（2-PG，2-phosphoglycolate）。為了要把2-磷酸甘油醛用掉，植物必須進行一連串的反應，過程中消耗了能量（ATP），所以被稱為光呼吸作用。

過去總認為光呼吸作用的代謝途徑就是為了光合作用而服務的。但是，日本的研究團隊發現了一種嗜熱古菌Thermococcus kodakarensis，它不會進行光合作用（事實上它是厭氧菌），但是還是有RuBisCO。

當然，進行光合作用不一定都要產生氧氣（事實上，產氧的光合作用只佔全世界光合作用的「一半」），不過這隻菌真的不會進行光合作用。那麼它的RuBisCO做什麼用呢？研究團隊發現，它的RuBisCO參與其他類型的碳代謝過程，如核糖轉換途徑。

不過，當它處於微氧條件下時，它的RuBisCO仍能進行加氧反應，從而產生2-PG。這就讓研究團隊覺得很好奇，因為2-PG對生物體來說是廢物，所以這隻菌怎麼消化掉它的2-PG呢？

由於這隻菌的基因體已於2005年完成定序，所以要找到基因並不是那麼困難。研究團隊拿已知存在於嗜熱菌中的2-PG磷酸酶（這個酵素擔任轉化2-PG的第一個步驟）來進行基因搜尋，找到了TK2301；另外，他們也用阿拉伯芥的2-PG磷酸酶來進行搜尋，找到了TK1734。

最後，他們發現TK1734是這隻菌的2-PG磷酸酶。另外，他們也發現，如果把TK1734從這隻菌裡面給剔除掉，這隻菌在微氧狀況下就會長得很不好（下降八成）。這顯示TK1734的確是2-PG磷酸酶，同時也證明了這個酵素對它非常重要。

總而言之，這個發現意味著，即使是在早期地球生命和缺氧條件下，一些生物如嗜熱原核生物也已經進化出了處理2-PG的機制。這種能力的演化可能反映了生物對早期地球環境變化的適應，尤其是氧氣水平的逐步增加。因此，研究這些機制可以提供對生命早期演化過程的見解。

參考文獻：

Michimori Y, Izaki R, Su Y, Fukuyama Y, Shimamura S, Nishimura K, Miwa Y, Hamakita S, Shimosaka T, Makino Y, Takeno R, Sato T, Beppu H, Cann I, Kanai T, Nunoura T, Atomi H. Removal of phosphoglycolate in hyperthermophilic archaea. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Apr 16;121(16):e2311390121. doi: 10.1073/pnas.2311390121. Epub 2024 Apr 9. PMID: 38593075.