甲基辅酶M还原酶表达调控对微生物甲烷同位素组成的影响机制研究

来自加州理工学院的研究团队通过CRISPR基因编辑技术构建了甲基辅酶M还原酶(MCR)诱导表达模型，解决了微生物甲烷同位素分馏机制不明的关键问题。研究发现降低mcr表达会增强甲烷-水体系氢同位素交换，通过同位素标记模型证实该现象源于底物甲基氧化途径酶促反应可逆性改变，为环境甲烷生物来源判定提供了新的理论依据。

　　

这项突破性研究揭示了微生物产甲烷过程中的同位素密码。科研人员对模式产甲烷菌——乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)进行精准改造，通过CRISPR技术构建了可诱导表达的甲基辅酶M还原酶(MCR)系统。作为产甲烷途径的关键限速酶，MCR的表达水平直接影响着甲烷分子的同位素"指纹"。

当利用甲醇和乙酸作为底物时，降低mcr基因表达会显著增强甲烷与水之间的氢同位素(H/D)交换。通过建立同位素标记动力学模型，研究者发现这种现象源于甲基氧化分支代谢途径的酶促反应可逆性改变。具体表现为：MCR表达下调导致代谢流受阻，使得甲醇和乙酸代谢的氧化分支反应平衡向逆反应方向移动，最终引起甲烷前体物质同位素组成的系统性偏移。

该发现颠覆了传统认知——有机底物产甲烷的同位素效应并非固定不变，而是会随代谢通量动态变化。这一机制为解读自然界甲烷δ¹³C和δD同位素特征提供了新视角，对判别湿地、冻土等环境中甲烷的生物/非生物来源具有重要指导意义。甲基辅酶M还原酶作为微生物碳循环的核心催化剂，其表达调控为理解全球甲烷循环提供了新的分子维度。