《Nature Microbiology 》回答为啥产甲烷微生物重组代谢途径在硫酸盐上生长

30年前，科学家们发现了一种产甲烷微生物，即嗜热嗜甲烷球菌，它能够以硫酸盐作为唯一的硫源生长。这一发现为该领域提出了许多问题。现在，一项新的研究深入研究了这种细菌是如何实现这一目标的，考虑到这一过程中涉及的能量成本和有毒中间体，以及为什么它是唯一已知的能够创造自己的硫酸盐还原机制的甲烷菌。

　　

植物和藻类获得硫的过程——将硫酸盐转化为硫化物——需要大量的能量，并产生有害的中间产物和副产品，需要立即转化。正因为如此，人们假设通常缺乏能量的产甲烷菌无法将硫酸盐转化为硫化物，必须依靠其他形式的硫。然而，(几十年前)发现产甲烷菌产热嗜养甲烷球菌生长在硫酸盐上作为唯一的硫源，这使人们对这一观点产生了质疑。

现在，新的研究揭示了热石养菌是如何做到这一点的，考虑到能量成本和有毒的中间产物，以及为什么它是唯一已知的具有这种能力的甲烷菌。

这项研究发表在《Nature Microbiology》杂志上，题为“海洋产甲烷菌产热嗜养甲烷球菌的同化硫酸盐还原”。

马克斯·普朗克海洋微生物研究所的研究生Marion Jespersen说:“当我开始攻读博士学位时，我真的必须说服热石营养菌吃硫酸盐而不是硫化物。但在优化培养基后，甲烷热球菌成为在硫酸盐上生长的亲体，其细胞密度与在硫化物上生长时相当。”

为了了解硫酸盐同化的分子机制，科学家们确定了细菌基因组中的五个基因，这些基因有可能编码硫酸盐还原相关酶。

 

通过对酶的表征，科学家们从产甲烷菌中组装了第一个硫酸盐同化途径。虽然该途径的前两种酶是众所周知的，并且存在于许多微生物和植物中，但随后的酶是新的。

Jespersen说:“我们震惊地发现，似乎嗜热菌从一种异化的硫酸盐还原生物中劫持了一种酶，并对其进行了轻微的修改，以满足自己的需要。”

当一些微生物吸收硫酸盐作为细胞的组成部分时，另一些微生物在异化过程中利用它来获取能量——就像人类呼吸氧气一样。执行异化硫酸盐还原的微生物使用一组不同的酶来完成这项工作。这里研究的产甲烷菌将这些异化酶中的一种转化为同化酶。

“这是一个简单但非常有效的策略，很可能是这种产甲烷菌能够在硫酸盐上生长的原因。到目前为止，这种特殊的酶只在嗜热分枝杆菌中发现，没有在其他产甲烷菌中发现，”Jespersen解释说。

该途径的最后两种酶是用来处理硫酸盐同化过程中产生的两种毒素的。第一个类似于异化酶，从亚硫酸盐中产生硫化物。第二种是一种新型的磷酸酶，具有很强的水解其他毒物的效率。

“似乎热石营养菌从其微生物环境中收集了遗传信息，使其能够在硫酸盐上生长。通过混合和匹配同化酶和异化酶，它创造了自己的功能硫酸盐还原机制，”马克斯普朗克微生物代谢研究小组负责人Tristan Wagner博士说。

氢营养型产甲烷菌，如热石营养菌，具有将二氢和二氧化碳转化为甲烷的能力。换句话说，它们可以将温室气体CO2转化为生物燃料CH4，这种生物燃料可以用来为家庭供暖。

为了做到这一点，产甲烷菌在大型生物反应器中生长。目前甲烷菌培养的一个瓶颈是它们需要高度危险和易爆的硫化氢气体作为硫源。随着热噬菌中硫酸盐同化途径的发现，有可能对已经用于生物技术的产甲烷菌进行基因工程改造，使其使用这一途径，从而实现更安全、更经济的沼气生产。

“一个尚未解决的紧迫问题是，为什么菌会在自然界中吸收硫酸盐。为此，我们将不得不深入实地，看看这一途径所需的酶是否也在微生物的自然环境中表达，”Wagner总结道。