Abstract
Extremophiles, microorganisms that thrive in some of Earth’s most hostile environments, such as hydrothermal vents on the ocean floor. These organisms have developed a range of remarkable adaptations that enable them to survive in conditions of extreme temperature, reaching 122 °C, and pres-sure, reaching 125 MPa. A critical factor for their survival is the stability of adenosine triphosphate (ATP), an essential energy carrier whose hydrolysis could limit metabolic processes under extreme conditions. This study aims to enhance our understanding of ATP hydrolysis by using advanced experimental techniques to simulate high-pressure and high-temperature environments.
In situ Raman spectroscopy, combined with a hydrothermal diamond anvil cell (HDAC) and a gas-pressurized autoclave, was employed to investigate the hydrolysis of ATP in aqueous solutions at temperatures of 80 °C, 100 °C, and 120 °C and pressures up to 1670 MPa. The findings indicated that ATP undergoes rapid hydrolysis at elevated temperatures, with rate constants of 4.34 × 10-3 s-1 at pH 3 and 2.91 × 10-3 s-1 at pH 7 at 120 °C, corresponding to half-lives of just a few minutes. A notable impact of pressure on ATP hydrolysis was observed, with hydrolysis rates increasing nearly tenfold as pressure increased from 365 MPa to 1670 MPa at 100 °C. However, the effect of pressure on ATP hydrolysis rate constants was found to be vanishingly low in the so far known vital range up to 125 MPa.
The influence of Na+, Ca2+ and Mg2+ was examined. It was found that, while Na+ and Ca2+ have a negligible effect, Mg2+ markedly reduces the hydrolysis rate up to 30% at 80 °C and 50% at 120 °C, there-by stabilizing kinetically ATP under extreme conditions. Thermodynamic calculations showed that the complexation of ATP with Mg2+ ions varies with temperature and pH, thereby influencing the hydroly-sis rate. At pH 2 to 3, the formation of MgH2ATP was calculated. Under this condition, a deceleration of the hydrolysis was observed by increasing the Mg2+ concentration. At pH 6 to 9, the formation of MgATP2+ was calculated. At a high Mg2+ concentration and temperatures above 80 °C, the thermody-namic model revealed the formation of Mg2ATP. The role of Mg2ATP in both abiotic and biotic hy-drolysis of ATP remains unanswered and requires further investigation.
These findings offer valuable insights into the biochemical challenges faced by extremophiles and improve our understanding of ATP stability in extreme environments. This knowledge has implications for both terrestrial and extraterrestrial life studies, suggesting that, for now, the kinetic stability of ATP is not a limiting factor for extremophiles.…
Extremophile Mikroorganismen sind in der Lage, in den lebensfeindlichsten Umgebungen der Erde zu leben. Dazu zählen beispielsweise hydrothermale Schlote am Meeresboden. Diese Organismen haben eine Reihe bemerkenswerter Anpassungen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, unter extremen Temperatur- (bis 122 °C) und Druckbedingungen (bis 125 MPa) zu überleben. Ein entscheidender Faktor für ihr Überleben ist die Stabilität von Adenosintriphosphat (ATP), einem wichtigen Energieträger, dessen Hydrolyse die Stoffwechselprozesse unter extremen Bedingungen einschränken könnte. Das Ziel dieser Studie ist unser Verständnis der ATP-Hydrolyse zu vertiefen, indem experimentelle Techni-ken zur Simulation von Hochdruck- und Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden.
In-situ-Raman-Spektroskopie wurde in Kombination mit einer hydrothermalen Diamant Stempel Zelle (HDAC) und einem Gasdruck-Autoklaven eingesetzt, um die Hydrolyse von ATP in wässrigen Lösungen bei Temperaturen von 80 °C, 100 °C und 120 °C und Drücken bis zu 1670 MPa zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass ATP bei erhöhten Temperaturen schnell hydrolysiert wird, mit Geschwindigkeitskonstanten von 4,34 × 10-3 s-1 bei pH 3 und 2,91 × 10-3 s-1 bei pH 7 bei 120 °C, was einer Halbwertszeit von nur wenigen Minuten entspricht. Es wurde ein starker Einfluss des Drucks auf die ATP-Hydrolyse beobachtet, wobei sich die Hydrolyseraten bei einem Druckanstieg von 365 MPa auf 1670 MPa bei 100 °C fast verzehnfachten. Die Auswirkung des Drucks auf die ATP-Hydrolyse-Ratenkonstanten erwies sich jedoch in dem bisher bekannten vitalen Bereich bis 125 MPa als verschwindend gering.
Der Einfluss von Na+, Ca2+ und Mg2+ wurde ebenfalls untersucht. Es zeigte sich, dass Na+ und Ca2+ einen vernachlässigbaren Effekt haben, während Mg2+ die Hydrolysegeschwindigkeit bei 80 °C um bis zu 30 % und bei 120 °C um bis zu 50 % senkt und damit ATP unter extremen Bedingungen kinetisch stabilisiert. Thermodynamische Berechnungen zeigten, dass die Komplexierung von ATP mit Mg2+-Ionen mit der Temperatur und dem pH-Wert variiert und dadurch die Hydrolysegeschwindigkeit beeinflusst. Bei einem pH-Wert von 2 bis 3 wurde die Bildung von MgH2ATP berechnet. Unter dieser Bedingung wurde eine Verlangsamung der Hydrolyse durch Erhöhung der Mg2+-Konzentration beobachtet. Bei einem pH-Wert von 6 bis 9 wurde die Bildung von MgATP2+ berechnet. Bei einer hohen Mg2+-Konzentration und Temperaturen über 80 °C zeigte das thermodynamische Modell die Bildung von Mg2ATP. Die Rolle von Mg2ATP sowohl bei der abiotischen als auch bei der biotischen Hydrolyse von ATP ist noch nicht geklärt und bedarf weiterer Untersuchungen.
Diese Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die biochemischen Herausforderungen, denen sich Extremophile stellen müssen, und verbessern unser Verständnis der ATP-Stabilität in extremen Umgebungen. Diese Erkenntnisse haben Auswirkungen auf die Erforschung von terrestrischem und extraterrestrischem Leben, da sie darauf hindeuten, dass die kinetische Stabilität von ATP derzeit kein limitierender Faktor für Extremophile ist.
