厭氧細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌的第四種共生模式——種間甲醇轉(zhuǎn)移示意圖。沼氣所供圖

地球深處，既沒(méi)有陽(yáng)光也沒(méi)有氧氣，卻生存著這個(gè)星球上最古老的生命體——擁有奇特生活習(xí)性的古菌。

在這些單細(xì)胞微生物中，產(chǎn)甲烷古菌備受關(guān)注，因?yàn)樗鼈兡墚a(chǎn)生天然氣的主要成分甲烷。

神秘古菌究竟如何產(chǎn)生甲烷?農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱沼氣所)研究員承磊和日本國(guó)立海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)等團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)了古菌及其“親密鄰居”細(xì)菌互贏共生的第四種生存模式，即種間甲醇轉(zhuǎn)移，并鑒定出一條甘氨酸-絲氨酸循環(huán)介導(dǎo)的甲醇生成新途徑。近日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

論文審稿人、丹麥技術(shù)大學(xué)教授Pablo Ivan Nikel指出，這是一種此前未知的、由甲醇介導(dǎo)的古菌和細(xì)菌的共生關(guān)系。論文闡述了這種一碳醇如何促進(jìn)代謝物的交換，從而有助于油藏中的碳循環(huán)，加深了人們對(duì)代謝相互作用和微生物生態(tài)學(xué)的理解。

《自然》高級(jí)編輯George Caputa表示，這項(xiàng)研究揭示了一種新的微生物關(guān)系，并強(qiáng)調(diào)了甲醇不僅僅是微生物代謝的碳源。

愛(ài)喝“酒”的神秘嗜熱古菌

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，細(xì)菌與古菌合作產(chǎn)甲烷只能利用簡(jiǎn)單的一碳或者二碳化合物，并且主要依賴3種模式：種間氫轉(zhuǎn)移、種間甲酸轉(zhuǎn)移和種間直接電子傳遞。這里所說(shuō)的種間，一般是指細(xì)菌和古菌之間。

廣泛分布于地球多種生態(tài)環(huán)境中的甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌，能將甲醇以及其他含甲基化學(xué)基團(tuán)的化合物轉(zhuǎn)化為甲烷，其背后機(jī)制和上述3種都不一樣。“它們到底如何產(chǎn)生甲烷，是否也通過(guò)類似種間電子傳遞的方式參與地下碳循環(huán)，是一個(gè)非常值得探究的問(wèn)題。”承磊說(shuō)。

承磊所在的沼氣所厭氧微生物實(shí)驗(yàn)室已有40余年歷史，擁有專業(yè)的厭氧微生物研究平臺(tái)和技術(shù)，保藏了1400多種厭氧微生物模式物種。其中，一株2007年分離自我國(guó)勝利油田深層油藏的產(chǎn)甲烷古菌，讓承磊看到了揭秘甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌的希望。

這株產(chǎn)甲烷古菌是一個(gè)新物種，由于分離自勝利油田且能在65℃高溫下存活而得名勝利甲烷嗜熱球菌。它對(duì)工作人員“投喂”的甲醇表現(xiàn)出強(qiáng)烈依賴，并能產(chǎn)生甲烷。“這是生長(zhǎng)溫度最高的甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌。”承磊說(shuō)。

研究人員當(dāng)時(shí)提出一個(gè)假設(shè)——地下細(xì)菌在分解有機(jī)物時(shí)，可能也會(huì)產(chǎn)生電子，并傳遞給甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌。

2016年，承磊團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了這項(xiàng)研究，但是能用于產(chǎn)電的細(xì)菌主要是中溫菌。所以，第一步需要尋找新的高溫產(chǎn)電細(xì)菌。

“幸運(yùn)的是，我們那時(shí)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新型的厭氧、無(wú)菌、可控溫的手套箱，以及半自動(dòng)化的挑菌儀和快速鑒定系統(tǒng)，突破了厭氧微生物高通量分離篩選的技術(shù)瓶頸。”承磊說(shuō)，他們做了大量的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，在不斷的失敗中堅(jiān)持下來(lái)。

論文第一作者、沼氣所副研究員黃艷在那時(shí)加入了團(tuán)隊(duì)，并接手了這個(gè)課題。經(jīng)過(guò)兩年努力，他們終于建立了細(xì)菌和古菌共培養(yǎng)產(chǎn)甲烷體系。

其中的細(xì)菌來(lái)自承磊團(tuán)隊(duì)前期從地下油藏中分離的新物種，它能在高溫下生存，而且愛(ài)“吃”甲酸，是勝利甲烷嗜熱球菌的“好鄰居”。為了紀(jì)念中國(guó)厭氧微生物學(xué)奠基人、沼氣所研究員趙一章，他們將這一細(xì)菌命名為嗜甲酸趙氏桿菌。

2018年，承磊和時(shí)任日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)研究員Masaru K. Nobu交流了研究進(jìn)展和想法，并達(dá)成合作共識(shí)——通過(guò)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生，讓黃艷帶著這個(gè)課題讀博，進(jìn)一步開(kāi)展細(xì)菌和古菌互作的分子機(jī)制研究。

一個(gè)釀“酒”一個(gè)買“醉”微生物的共營(yíng)奇緣

“從2019年到日本讀博起，我與合作者想盡各種辦法，驗(yàn)證古菌和細(xì)菌是通過(guò)種間直接電子傳遞方式產(chǎn)生甲烷的。”黃艷說(shuō)。

然而，“花式”驗(yàn)證了一年多，實(shí)驗(yàn)卻毫無(wú)進(jìn)展。“我挺發(fā)愁的，一度覺(jué)得這個(gè)課題要‘掛掉’。”黃艷說(shuō)。

一天夜里，黃艷再次回想起白天的實(shí)驗(yàn)，在厭氧菌里添加了導(dǎo)電材料，但是并沒(méi)有出現(xiàn)文獻(xiàn)報(bào)道的情況——如果古菌和細(xì)菌通過(guò)種間直接電子傳遞方式產(chǎn)生甲烷，應(yīng)該可以看到產(chǎn)甲烷速率增加的趨勢(shì)。

一個(gè)模糊的念頭一閃而過(guò)：“難道它們之間不是依靠直接電子傳遞方式?”這個(gè)想法在黃艷腦中越來(lái)越清晰。她決定第二天用不能導(dǎo)電卻可以透過(guò)一些物質(zhì)的滲透膜把古菌和細(xì)菌分開(kāi)，看看它們還能不能產(chǎn)甲烷。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料，古菌依然可以正常產(chǎn)出甲烷。

黃艷猜測(cè)，如果古菌和細(xì)菌之間不是通過(guò)種間電子傳遞，那么極有可能是一種新的互作機(jī)制。她興奮地向?qū)?、AIST上級(jí)主任研究員Souichiro Kato提出新猜想。不料，Kato非常淡定地說(shuō)：“去證明它。”

“我們通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算提出地下微生物可能代謝甲酸鹽——地下另一種常見(jiàn)的單碳化合物，從而生成甲醇。熱力學(xué)特征表明，將甲酸鹽轉(zhuǎn)化為甲醇的微生物，需要與利用甲醇的微生物建立緊密的共生關(guān)系，這涉及互營(yíng)代謝作用。”黃艷說(shuō)，于是研究團(tuán)隊(duì)嘗試從培養(yǎng)、基因表達(dá)情況、代謝分析等角度證明這個(gè)假設(shè)。

“甲酸鹽的消耗和甲醇的生成符合預(yù)測(cè)的化學(xué)計(jì)量比例，但在少量甲醇積累后，代謝就停止了。”承磊說(shuō)。

黃艷發(fā)現(xiàn)，在他們構(gòu)建的細(xì)菌和古菌共培養(yǎng)產(chǎn)甲烷體系中，嗜甲酸趙氏桿菌對(duì)甲酸鹽的降解直接與產(chǎn)甲烷古菌的甲烷生成相耦合。

“這就像細(xì)菌釀了一壺‘假酒’，自己喝不下，古菌卻甘之如飴。”承磊解釋道，“這種互作不僅突破了熱力學(xué)限制，還開(kāi)辟了第四種產(chǎn)甲烷模式。我們證明了甲醇從細(xì)菌轉(zhuǎn)移到產(chǎn)甲烷古菌，從熱力學(xué)角度可定義為一種新的互營(yíng)代謝模式——種間甲醇轉(zhuǎn)移。”

應(yīng)用前景：從“地下沼氣”到碳中和

但是，嗜甲酸趙氏桿菌與勝利甲烷嗜熱球菌的生存模式和此前發(fā)現(xiàn)的共營(yíng)模式都不一樣，其背后的代謝機(jī)制依然是一個(gè)“黑匣子”。

團(tuán)隊(duì)成員又一頭扎進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。

黃艷說(shuō)，從甲酸到甲醇是一個(gè)還原反應(yīng)，需要消耗電子;按照電子守恒定律，同時(shí)還需要一個(gè)甲酸到二氧化碳的氧化反應(yīng)為這個(gè)還原反應(yīng)提供電子。“但我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中沒(méi)有檢測(cè)到通常負(fù)責(zé)這個(gè)代謝過(guò)程的基因發(fā)揮作用。”

這個(gè)問(wèn)題使研究一度陷入僵局。經(jīng)過(guò)反復(fù)推敲和論證，研究人員發(fā)現(xiàn)，二氧化碳是由一條此前未被報(bào)道的“甘氨酸-絲氨酸循環(huán)”路徑產(chǎn)生的。和傳統(tǒng)認(rèn)知不盡相同，甚至有一點(diǎn)“南轅北轍”——整個(gè)代謝過(guò)程先發(fā)生還原反應(yīng)，再進(jìn)行氧化。“這個(gè)途徑太神奇了!”黃艷說(shuō)。

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月，他們終于重構(gòu)了細(xì)菌將甲酸鹽轉(zhuǎn)化為甲醇和二氧化碳的代謝途徑。“甘氨酸-絲氨酸循環(huán)”和三羧酸循環(huán)有許多共同特征，而三羧酸循環(huán)涉及一系列至關(guān)重要的反應(yīng)，包括呼吸細(xì)胞中的能量產(chǎn)生以及氨基酸等細(xì)胞構(gòu)成要素的合成。

“據(jù)我們所知，這種代謝過(guò)程是首個(gè)已知的以甲醇為主要代謝產(chǎn)物的生物反應(yīng)。”承磊說(shuō)，從能源角度看，這種相互作用可能為提高或調(diào)控天然氣生產(chǎn)力提供新思路。鑒于甲烷是一種強(qiáng)效溫室氣體，對(duì)地下碳循環(huán)的深入理解有助于更精確預(yù)測(cè)全球甲烷排放如何影響氣候變化。

不過(guò)，與其他互營(yíng)代謝模式相比，種間甲醇轉(zhuǎn)移對(duì)碳通量的相對(duì)貢獻(xiàn)仍未明確。除研究描述的細(xì)菌和代謝途徑外，是否還有其他地下甲醇來(lái)源也是未知數(shù)。承磊表示，這些問(wèn)題值得深入探討。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08491-w