MATE转运蛋白调控Methermicoccus shengliensis甲烷代谢的分子机制及其受甲氧基芳香化合物的调控作用

本研究针对地下生态系统中广泛存在的甲氧基芳香化合物（MACs）如何被Methermicoccus shengliensis转化为甲烷这一科学问题，通过细菌双杂交和结构模型分析，首次揭示了MATE家族转运蛋白（MatE）与信号转导蛋白（Tlp）的互作机制。研究人员发现Tlp通过感知2-甲氧基苯甲酸（2-methoxybenzoate）并激活MatE介导的底物转运，而matE基因敲除显著抑制了菌株的甲烷生成能力。该研究为理解古菌甲烷代谢调控提供了新视角，对减少特定生态系统的甲烷排放具有潜在应用价值。

　　

在探索全球甲烷排放的微生物驱动因素时，一个关键谜团浮出水面：地下生态系统中丰富的甲氧基芳香化合物（methoxylated aromatic compounds, MACs）如何被转化为强效温室气体甲烷？这项由中国科学院成都生物研究所（第一作者单位）领衔的研究，将目光投向了嗜热产甲烷古菌Methermicoccus shengliensis——这个能从石油开采水中分离的特殊微生物，展现出将MACs直接转化为甲烷的独特能力。

传统认知中，大多数产甲烷古菌仅能利用H₂/CO₂或甲酸等简单底物，而M. shengliensis却打破了这一限制。更令人惊讶的是，其基因组中高表达的MatE（MATE家族转运蛋白）和Tlp（转导样蛋白）可能构成全新的底物转运系统。但这两个蛋白如何协作？它们对甲烷代谢有何影响？这些问题成为理解古菌碳循环调控的关键突破口。

为解开这些谜题，研究人员采用了多学科交叉的研究策略。通过细菌双杂交系统验证蛋白互作，结合AlphaFold2预测三维结构和分子对接分析，并建立古菌基因敲除体系（使用嘌呤霉素抗性标记pac）。实验选用30 mM甲醇和2-甲氧基苯甲酸作为对照底物，通过qRT-PCR、气相色谱（GC）和生长曲线分析表型变化。

细胞生长和甲烷产量差异

比较不同底物下的培养表现发现：甲醇组的对数生长期（4天）比2-甲氧基苯甲酸组（5天）更短，且7天后甲烷产量高出30%（13 mmol vs 10 mmol）。这表明M. shengliensis存在底物偏好性，暗示不同代谢通路的效率差异。

MatE与Tlp的进化特征

系统发育分析显示，MatE和Tlp同源蛋白广泛分布于古菌中，但仅M. shengliensis和Archaeoglobus fulgidus能利用MACs产甲烷。这种功能特异性提示其转运系统可能通过基因水平转移获得特殊适应性。

蛋白互作与转运机制

结构模型揭示：Tlp包含配体结合域（LBD）、跨膜螺旋（TM）和信号域（SD），通过HAMP（Histidine kinases, Adenyl cyclases, Methyl-accepting chemotaxis proteins, Phosphatases）域与MatE对接（结合能-4.8 kcal mol^-1）。细菌双杂交证实Tlp的HAMP域与MatE直接作用，而2-甲氧基苯甲酸通过Ser302和Arg279残基的氢键稳定在MatE的α-螺旋隧道中。值得注意的是，甲醇无法与MatE结合，说明系统对MACs的特异性。

基因敲除的表型验证

成功构建的ΔmatE突变体在2-甲氧基苯甲酸培养基中生长受阻，甲烷产量骤降95%，而甲醇组未受影响。这直接证明MatE是MACs代谢的限速因子，且该转运系统不参与甲醇利用途径。

这项发表于《Communications Biology》的研究，首次阐明了古菌中MatE-Tlp系统调控MACs转运的分子机制。其重要意义体现在三方面：

1. 理论层面：突破了对古菌底物利用范围的认知，揭示HAMP域在跨膜信号转导中的保守性；

2. 技术层面：建立的嘌呤霉素抗性（2.5 μg/mL）古菌基因编辑体系，为难以培养的嗜热微生物研究提供工具；

3. 应用层面：为调控产甲烷菌的底物利用效率提供靶点，对油气田等富含MACs环境的甲烷减排具有潜在价值。

未来研究需解决两个关键问题：为何其他携带MatE-Tlp的古菌不能代谢MACs？是否存在其他辅助蛋白参与该过程？这些问题的解答将进一步丰富我们对全球碳循环微生物驱动力的理解。