揭秘地球碳循环‘暗箱’科研揭示古菌与细菌第四种互利共生新机制

地球深处，既没有阳光也没有氧气，却生存着这个星球上最古老的生命体——拥有奇特生活习性的古菌。

在这些单细胞微生物中，产甲烷古菌备受关注，因为它们能产生天然气的主要成分甲烷。

神秘古菌究竟如何产生甲烷？农业农村部成都沼气科学研究所（以下简称沼气所）研究员承磊和日本国立海洋研究开发机构等团队合作，发现了古菌及其“亲密邻居”细菌互赢共生的第四种生存模式，即种间甲醇转移，并鉴定出一条甘氨酸-丝氨酸循环介导的甲醇生成新途径。近日，相关研究成果发表于《自然》。

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论文审稿人、丹麦技术大学教授Pablo Ivan Nikel指出，这是一种此前未知的、由甲醇介导的古菌和细菌的共生关系。论文阐述了这种一碳醇如何促进代谢物的交换，从而有助于油藏中的碳循环，加深了人们对代谢相互作用和微生物生态学的理解。

《自然》高级编辑George Caputa表示，这项研究揭示了一种新的微生物关系，并强调了甲醇不仅仅是微生物代谢的碳源。

爱喝“酒”的神秘嗜热古菌

传统观点认为，细菌与古菌合作产甲烷只能利用简单的一碳或者二碳化合物，并且主要依赖3种模式：种间氢转移、种间甲酸转移和种间直接电子传递。这里所说的种间，一般是指细菌和古菌之间。

广泛分布于地球多种生态环境中的甲基营养型产甲烷古菌，能将甲醇以及其他含甲基化学基团的化合物转化为甲烷，其背后机制和上述3种都不一样。“它们到底如何产生甲烷，是否也通过类似种间电子传递的方式参与地下碳循环，是一个非常值得探究的问题。”承磊说。

承磊所在的沼气所厌氧微生物实验室已有40余年历史，拥有专业的厌氧微生物研究平台和技术，保藏了1400多种厌氧微生物模式物种。其中，一株2007年分离自我国胜利油田深层油藏的产甲烷古菌，让承磊看到了揭秘甲基营养型产甲烷古菌的希望。

这株产甲烷古菌是一个新物种，由于分离自胜利油田且能在65℃高温下存活而得名胜利甲烷嗜热球菌。它对工作人员“投喂”的甲醇表现出强烈依赖，并能产生甲烷。“这是生长温度最高的甲基营养型产甲烷古菌。”承磊说。

研究人员当时提出一个假设——地下细菌在分解有机物时，可能也会产生电子，并传递给甲基营养型产甲烷古菌。

2016年，承磊团队启动了这项研究，但是能用于产电的细菌主要是中温菌。所以，第一步需要寻找新的高温产电细菌。

“幸运的是，我们那时已经开发了新型的厌氧、无菌、可控温的手套箱，以及半自动化的挑菌仪和快速鉴定系统，突破了厌氧微生物高通量分离筛选的技术瓶颈。”承磊说，他们做了大量的共培养实验，在不断的失败中坚持下来。

论文第一作者、沼气所副研究员黄艳在那时加入了团队，并接手了这个课题。经过两年努力，他们终于建立了细菌和古菌共培养产甲烷体系。

其中的细菌来自承磊团队前期从地下油藏中分离的新物种，它能在高温下生存，而且爱“吃”甲酸，是胜利甲烷嗜热球菌的“好邻居”。为了纪念中国厌氧微生物学奠基人、沼气所研究员赵一章，他们将这一细菌命名为嗜甲酸赵氏杆菌。

2018年，承磊和时任日本产业技术综合研究所（AIST）研究员Masaru K. Nobu交流了研究进展和想法，并达成合作共识——通过联合培养博士研究生，让黄艳带着这个课题读博，进一步开展细菌和古菌互作的分子机制研究。

一个酿“酒”一个买“醉”微生物的共营奇缘

“从2019年到日本读博起，我与合作者想尽各种办法，验证古菌和细菌是通过种间直接电子传递方式产生甲烷的。”黄艳说。

然而，“花式”验证了一年多，实验却毫无进展。“我挺发愁的，一度觉得这个课题要‘挂掉’。”黄艳说。

一天夜里，黄艳再次回想起白天的实验，在厌氧菌里添加了导电材料，但是并没有出现文献报道的情况——如果古菌和细菌通过种间直接电子传递方式产生甲烷，应该可以看到产甲烷速率增加的趋势。

一个模糊的念头一闪而过：“难道它们之间不是依靠直接电子传递方式？”这个想法在黄艳脑中越来越清晰。她决定第二天用不能导电却可以透过一些物质的渗透膜把古菌和细菌分开，看看它们还能不能产甲烷。

实验结果出乎意料，古菌依然可以正常产出甲烷。

黄艳猜测，如果古菌和细菌之间不是通过种间电子传递，那么极有可能是一种新的互作机制。她兴奋地向导师、AIST上级主任研究员Souichiro Kato提出新猜想。不料，Kato非常淡定地说：“去证明它。”

“我们通过热力学计算提出地下微生物可能代谢甲酸盐——地下另一种常见的单碳化合物，从而生成甲醇。热力学特征表明，将甲酸盐转化为甲醇的微生物，需要与利用甲醇的微生物建立紧密的共生关系，这涉及互营代谢作用。”黄艳说，于是研究团队尝试从培养、基因表达情况、代谢分析等角度证明这个假设。

“甲酸盐的消耗和甲醇的生成符合预测的化学计量比例，但在少量甲醇积累后，代谢就停止了。”承磊说。

黄艳发现，在他们构建的细菌和古菌共培养产甲烷体系中，嗜甲酸赵氏杆菌对甲酸盐的降解直接与产甲烷古菌的甲烷生成相耦合。

“这就像细菌酿了一壶‘假酒’，自己喝不下，古菌却甘之如饴。”承磊解释道，“这种互作不仅突破了热力学限制，还开辟了第四种产甲烷模式。我们证明了甲醇从细菌转移到产甲烷古菌，从热力学角度可定义为一种新的互营代谢模式——种间甲醇转移。”

应用前景：从“地下沼气”到碳中和

但是，嗜甲酸赵氏杆菌与胜利甲烷嗜热球菌的生存模式和此前发现的共营模式都不一样，其背后的代谢机制依然是一个“黑匣子”。

团队成员又一头扎进实验室。

黄艳说，从甲酸到甲醇是一个还原反应，需要消耗电子；按照电子守恒定律，同时还需要一个甲酸到二氧化碳的氧化反应为这个还原反应提供电子。“但我们在实验中没有检测到通常负责这个代谢过程的基因发挥作用。”

这个问题使研究一度陷入僵局。经过反复推敲和论证，研究人员发现，二氧化碳是由一条此前未被报道的“甘氨酸-丝氨酸循环”路径产生的。和传统认知不尽相同，甚至有一点“南辕北辙”——整个代谢过程先发生还原反应，再进行氧化。“这个途径太神奇了！”黄艳说。

经过几个月，他们终于重构了细菌将甲酸盐转化为甲醇和二氧化碳的代谢途径。“甘氨酸-丝氨酸循环”和三羧酸循环有许多共同特征，而三羧酸循环涉及一系列至关重要的反应，包括呼吸细胞中的能量产生以及氨基酸等细胞构成要素的合成。

“据我们所知，这种代谢过程是首个已知的以甲醇为主要代谢产物的生物反应。”承磊说，从能源角度看，这种相互作用可能为提高或调控天然气生产力提供新思路。鉴于甲烷是一种强效温室气体，对地下碳循环的深入理解有助于更精确预测全球甲烷排放如何影响气候变化。

不过，与其他互营代谢模式相比，种间甲醇转移对碳通量的相对贡献仍未明确。除研究描述的细菌和代谢途径外，是否还有其他地下甲醇来源也是未知数。承磊表示，这些问题值得深入探讨。

相关论文信息：

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

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