再發(fā)Nature：承磊團(tuán)隊(duì)揭示細(xì)菌和古菌的新型共生模式，合作共贏產(chǎn)天然氣

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作者：王聰來(lái)源：生物世界

2025-02-05

2025 年 1 月 29 日，承磊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合多機(jī)構(gòu)研究人員發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)菌群互作新模式 —— 種間甲醇轉(zhuǎn)移，為理解甲烷循環(huán)提供新視角。

甲醇被許多生活在地表下的微生物代謝成天然氣甲烷，然而，這些甲醇從何而來(lái)，一直不清楚。

2025 年 1 月 29 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所承磊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合日本國(guó)立海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所及北京大學(xué)的研究人員，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 上發(fā)表了題為：Methanol transfer supports metabolic syntrophy between bacteria and archaea 的研究論文。

該研究發(fā)現(xiàn)了一種合作共贏的菌群互作模式，揭示了厭氧微生物產(chǎn)甲醇的新途徑，并提出了第四種細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷模式——種間甲醇轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)為理解全球甲烷循環(huán)提供了全新視角，也為“地下沼氣工程”和溫室氣體減排控制技術(shù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新思路。

種間甲醇轉(zhuǎn)移

在地下產(chǎn)甲烷生態(tài)系統(tǒng)中，利用甲基化合物的古菌——甲基營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌——的普遍存在，表明了甲基化合物在這些生境的生態(tài)學(xué)和碳循環(huán)中具有重要作用。然而，這些化合物的來(lái)源仍不清楚，因?yàn)槟壳吧形窗l(fā)現(xiàn)有能量代謝途徑能將甲基化合物作為主要產(chǎn)物從頭生成。

承磊團(tuán)隊(duì)之前從地下油藏發(fā)現(xiàn)了一種新型嗜熱厭氧細(xì)菌——Zhaonella formicivorans（嗜甲酸趙氏桿菌，為紀(jì)念沼氣所趙一章研究員而命名）和一種新型吃甲醇產(chǎn)甲烷的厭氧古菌 Methermicoccus shengliensis（勝利甲烷嗜熱微球菌，為紀(jì)念勝利油田而命名）。

在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)揭示了嗜甲酸趙氏桿菌的能量代謝途徑，該途徑能將甲酸轉(zhuǎn)化為甲醇，從而無(wú)需甲基化化合物作為輸入就能生成甲醇。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，甲酸驅(qū)動(dòng)的甲醇生成，會(huì)因甲醇的積累而受到抑制。

然而，這種限制可以通過(guò)勝利甲烷嗜熱微球菌消耗甲醇來(lái)克服。勝利甲烷嗜熱微球菌通過(guò)消耗嗜甲酸趙氏桿菌產(chǎn)生的甲醇，幫助其解決了甲醇累積的問(wèn)題，還能夠甲醇轉(zhuǎn)化為甲烷，從而持續(xù)生成天然氣。

此前人們認(rèn)為，細(xì)菌和古菌互作產(chǎn)甲烷模式（互惠交叉喂養(yǎng)模式，也叫做互營(yíng)代謝）模式依賴于氫氣、甲酸或電子傳遞，而該研究發(fā)現(xiàn)的種間甲醇轉(zhuǎn)移，代表了由熱力學(xué)必然性驅(qū)動(dòng)的第四種互作產(chǎn)甲烷模式。

此外，研究團(tuán)隊(duì)利用嗜甲酸趙氏桿菌和勝利甲烷嗜熱微球菌人工構(gòu)建了合成菌群，并結(jié)合同位素示蹤、多組學(xué)等前沿技術(shù)，證實(shí)了嗜甲酸趙氏桿菌通過(guò)全新的甘氨酸—絲氨酸循環(huán)介導(dǎo)途徑產(chǎn)生甲醇，這也是首次在微生物細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)。這種轉(zhuǎn)化過(guò)程面臨的熱力學(xué)限制，通過(guò)與產(chǎn)甲烷古菌——勝利甲烷嗜熱微球菌的合作得以克服。

這種不同尋常的新陳代謝和互營(yíng)作用為地下產(chǎn)甲烷生態(tài)系統(tǒng)中甲基化合物的神秘存在提供了見(jiàn)解，并展示了生物體如何通過(guò)代謝共生在熱力學(xué)極限下生存。

日本國(guó)立海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) Masaru K. Nobu、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所 Souichiro Kato，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所承磊為論文共同通訊作者，沼氣所副研究員黃艷為論文第一作者。

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2021 年 12 月 22 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所承磊團(tuán)隊(duì)、深圳大學(xué)高等研究院李猛團(tuán)隊(duì)與德國(guó)馬克斯普朗克海洋微生物研究所 Gunter Wegener 團(tuán)隊(duì)合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species 的研究論文，在古菌降解長(zhǎng)鏈烷烴產(chǎn)甲烷研究方面取得突破性進(jìn)展。

該研究結(jié)合穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記培養(yǎng)、宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、高分辨質(zhì)譜等技術(shù)，深入分析了一類新型產(chǎn)甲烷古菌——Candidatus Methanoliparum，首次證實(shí)了其獨(dú)立降解長(zhǎng)鏈烷基烴產(chǎn)甲烷的功能。

研究表明

2024 年 7 月 24 日，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部成都沼氣科學(xué)研究所承磊團(tuán)隊(duì)與荷蘭瓦赫寧根大學(xué) Diana Z. Sousa 團(tuán)隊(duì)合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota 的研究論文。這是我國(guó)學(xué)者首次在頂級(jí)期刊發(fā)表厭氧微生物分離培養(yǎng)的報(bào)道，是我國(guó)在厭氧古菌資源領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。

該研究發(fā)現(xiàn)并分離培養(yǎng)了一種新型產(chǎn)甲烷古菌——Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6，并證實(shí)了該古菌具有氫依賴代謝甲基化合物產(chǎn)甲烷的生理功能，但不具有發(fā)酵生長(zhǎng)能力。

研究表明