厌氧细菌跟产甲烷古菌的第四种共生形式——种间甲醇转移表示图。■本报记者 李晨地球深处，既不阳光也不氧气，却生活着这个星球上最陈旧的性命体——领有独特生涯习惯的古菌。在这些单细胞微生物中，产甲烷古菌备受存眷，由于它们能发生自然气的重要身分甲烷。奥秘古菌毕竟怎样发生甲烷？农业乡村部成都沼气迷信研讨所（以下简称沼气所）研讨员承磊跟日本国破大陆研讨开辟机构等团队配合，发明了古菌及其“密切街坊”细菌互赢共生的第四种生活形式，即种间甲醇转移，并判定出一条甘氨酸-丝氨酸轮回介导的甲醇天生新道路。克日，相干研讨结果宣布于《天然》。论文审稿人、丹麦技巧年夜学教学Pablo Ivan Nikel指出，这是一种此前未知的、由甲醇介导的古菌跟细菌的共生关联。论文论述了这种一碳醇怎样增进代谢物的交流，从而有助于油藏中的碳轮回，加深了人们对代谢彼此感化跟微生物生态学的懂得。《天然》高等编纂George Caputa表现，这项研讨提醒了一种新的微生物关联，并夸大了甲醇不只仅是微生物代谢的碳源。爱喝“酒”的奥秘嗜热古菌传统观念以为，细菌与古菌配合产甲烷只能应用简略的一碳或许二碳化合物，而且重要依附3种形式：种间氢转移、种间甲酸转移跟种间直接电子通报。这里所说的种间，个别是指细菌跟古菌之间。普遍散布于地球多种生态情况中的甲基养分型产甲烷古菌，能将甲醇以及其余含甲基化学基团的化合物转化为甲烷，其背地机制跟上述3种都纷歧样。“它们究竟怎样发生甲烷，能否也经由过程相似种间电子通报的方法参加地下碳轮回，是一个十分值得探索的成绩。”承磊说。承磊地点的沼气所厌氧微生物试验室已有40余年汗青，领有专业的厌氧微生物研讨平台跟技巧，收藏了1400多种厌氧微生物形式物种。此中，一株2007年分别自我国成功油田深层油藏的产甲烷古菌，让承磊看到了揭秘甲基养分型产甲烷古菌的盼望。这株产甲烷古菌是一个新物种，因为分别自成功油田且能在65℃低温下存活而得胜景利甲烷嗜热球菌。它对任务职员“投喂”的甲醇表示出激烈依附，并能发生甲烷。“这是成长温度最高的甲基养分型产甲烷古菌。”承磊说。研讨职员事先提出一个假设——地下细菌在剖析无机物时，可能也会发生电子，并通报给甲基养分型产甲烷古菌。2016年，承磊团队启动了这项研讨，然而能用于产电的细菌重要是中温菌。以是，第一步须要寻觅新的低温产电细菌。“荣幸的是，咱们当时曾经开辟了新型的厌氧、无菌、可控温的手套箱，以及半主动化的挑菌仪跟疾速判定体系，冲破了厌氧微生物高通量分别挑选的技巧瓶颈。”承磊说，他们做了大批的共培育试验，在一直的掉败中保持上去。论文第一作者、沼气所副研讨员黄艳在当时参加了团队，并接办了这个课题。经由两年尽力，他们终于树立了细菌跟古菌共培育产甲烷系统。此中的细菌来自承磊团队后期从地下油藏平分离的新物种，它能在低温下生活，并且爱“吃”甲酸，是成功甲烷嗜热球菌的“好街坊”。为了留念中国厌氧微生物学奠定人、沼气所研讨员赵一章，他们将这一细菌定名为嗜甲酸赵氏杆菌。2018年，承磊跟时任日本工业技巧综合研讨所（AIST）研讨员Masaru K. Nobu交换了研讨停顿跟主意，并告竣配合共鸣——经由过程结合培育博士研讨生，让黄艳带着这个课题读博，进一步发展细菌跟古菌互作的分子机制研讨。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，我与配合者想尽种种措施，验证古菌跟细菌是经由过程种间直接电子通报方法发生甲烷的。”黄艳说。但是，“花式”验证了一年多，试验却毫无停顿。“我挺忧愁的，一度感到这个课题要‘挂失落’。”黄艳说。一天夜里，黄艳再次回忆起白昼的试验，在厌氧菌里增加了导电资料，然而并不呈现文献报道的情形——假如古菌跟细菌经由过程种间直接电子通报方法发生甲烷，应当能够看到产甲烷速度增添的趋向。一个含混的动机一闪而过：“岂非它们之间不是依附直接电子通报方法？”这个主意在黄艳脑中越来越清楚。她决议第二天用不克不及导电却能够透过一些物资的浸透膜把古菌跟细菌离开，看看它们还能不克不及产甲烷。试验成果出其不意，古菌仍然能够畸形产出甲烷。黄艳猜想，假如古菌跟细菌之间不是经由过程种间电子通报，那么极有可能是一种新的互作机制。她高兴地导游师、AIST下级主任研讨员Souichiro Kato提出新料想。不意，Kato十分淡定地说：“去证实它。”“咱们经由过程热力学盘算提出地下微生物可能代谢甲酸盐——地下另一种罕见的单碳化合物，从而天生甲醇。热力学特点标明，将甲酸盐转化为甲醇的微生物，须要与应用甲醇的微生物树立严密的共生关联，这波及互营代谢感化。”黄艳说，于是研讨团队实验从培育、基因表白情形、代谢剖析等角度证实这个假设。“甲酸盐的耗费跟甲醇的天生合乎猜测的化学计量比例，但在大批甲醇积聚后，代谢就结束了。”承磊说。黄艳发明，在他们构建的细菌跟古菌共培育产甲烷系统中，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天生相耦合。“这就像细菌酿了一壶‘假酒’，本人喝不下，古菌却甘之如饴。”承磊说明道，“这种互作不只冲破了热力学限度，还开拓了第四种产甲烷形式。咱们证实了甲醇从细菌转移到产甲烷古菌，从热力学角度可界说为一种新的互营代谢形式——种间甲醇转移。”利用远景：从“地下沼气”到碳中跟然而，嗜甲酸赵氏杆菌与成功甲烷嗜热球菌的生活形式跟此前发明的共营形式都纷歧样，其背地的代谢机制仍然是一个“黑匣子”。团队成员又一头扎进试验室。黄艳说，从甲酸到甲醇是一个复原反映，须要耗费电子；依照电子守恒定律，同时还须要一个甲酸到二氧化碳的氧化反映为这个复原反映供给电子。“但咱们在试验中不检测到平日担任这个代谢进程的基因施展感化。”这个成绩使研讨一度堕入僵局。经由重复斟酌跟论证，研讨职员发明，二氧化碳是由一条此前未被报道的“甘氨酸-丝氨酸轮回”门路发生的。跟传统认知不尽雷同，乃至有一点“背道而驰”——全部代谢进程先产生复原反映，再停止氧化。“这个道路太神奇了！”黄艳说。经由多少个月，他们终于重构了细菌将甲酸盐转化为甲醇跟二氧化碳的代谢道路。“甘氨酸-丝氨酸轮回”跟三羧酸轮回有很多独特特点，而三羧酸轮回波及一系列至关主要的反映，包含呼吸细胞中的能量发生以及氨基酸等细胞形成因素的分解。“据咱们所知，这种代谢进程是首个已知的以甲醇为重要代谢产品的生物反映。”承磊说，从动力角度看，这种彼此感化可能为进步或调控自然气出产力供给新思绪。鉴于甲烷是一种强效温室气体，对地下碳轮回的深刻懂得有助于更准确猜测寰球甲烷排放怎样影响气象变更。不外，与其余互营代谢形式比拟，种间甲醇转移对碳通量的绝对奉献仍未明白。除研讨描写的细菌跟代谢道路外，能否另有其余地下甲醇起源也是未知数。承磊表现，这些成绩值得深刻探究。相干论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08491-w