Microbial diversity arising from thermodynamic constraints.
Microbial diversity arising from thermodynamic constraints.
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DOI：
10.1038/ismej.2016.49
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发表时间：
2016-11
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微生物界显示出巨大的分类多样性。这种多样性也表现在多种代谢途径中，这些途径可以利用不同的底物并产生不同的产物。在这里，我们提出这些观察结果与微生物生长的代谢基础固有的热力学约束直接相关。我们表明，热力学约束可以使微生物共存，利用相同的底物，但产生不同的最终产物。我们发现，这种由热力学驱动的多样性的出现与低自由能的代谢转化最为相关，例如在厌氧条件下，种群动态受热力学效应而不是动力学因素（如底物吸收率）控制。这些发现提供了基于热力学第一原理的对微生物多样性的一般理解。因此，它们为解释在不同的自然和合成环境中观察到的微生物多样性提供了一个基于热力学的框架。
The microbial world displays an immense taxonomic diversity. This diversity is manifested also in a multitude of metabolic pathways that can utilise different substrates and produce different products. Here, we propose that these observations directly link to thermodynamic constraints that inherently arise from the metabolic basis of microbial growth. We show that thermodynamic constraints can enable coexistence of microbes that utilise the same substrate but produce different end products. We find that this thermodynamics-driven emergence of diversity is most relevant for metabolic conversions with low free energy as seen for example under anaerobic conditions, where population dynamics is governed by thermodynamic effects rather than kinetic factors such as substrate uptake rates. These findings provide a general understanding of the microbial diversity based on the first principles of thermodynamics. As such they provide a thermodynamics-based framework for explaining the observed microbial diversity in different natural and synthetic environments.
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