德国不来梅马克斯普朗克海洋微生物研究所的科学家们发现了一种产甲烷微生物的分子秘密，这种微生物可以将硫酸盐转化为硫化物——一种随时可用的细胞结构单元。这一发现为生物燃料生产开辟了令人兴奋的机遇。

微生物如何创造自己的硫酸盐还原机制

硫是生命的基本元素，所有生物体都需要它来合成细胞物质。自养生物，例如植物和藻类，通过将硫酸盐转化为硫化物来获取硫，硫化物可以并入生物质中。然而，这个过程需要大量能量并产生需要立即转化的有害中间体和副产物。

因此，之前人们认为通常能量不足的产甲烷微生物无法将硫酸盐转化为硫化物。因此，假设这些产生世界上一半甲烷的微生物依赖于其他形式的硫，例如硫化物。

产甲烷菌同化硫酸盐?

1986年，随着产甲烷菌Methanothermococcusthermolithotrophicus的发现，这一教条被打破，它以硫酸盐为唯一的硫源。考虑到能量成本和有毒中间体，这怎么可能?为什么它是唯一一种似乎能够在这种含硫物质上生长的产甲烷菌?这种生物体是否使用化学技巧或未知策略来允许硫酸盐同化?马克斯普朗克海洋微生物学研究所的MarionJespersen和TristanWagner现在已经找到了这些问题的答案，并将其发表在《自然微生物学》杂志上。

研究人员遇到的第一个挑战是让微生物在新的硫源上生长。“当我开始攻读博士学位时，我真的不得不说服M.thermolithotrophicus吃硫酸盐而不是硫化物，”MarionJespersen说。“但在优化培养基后，甲烷嗜热球菌成为在硫酸盐上生长的专家，其细胞密度与在硫化物上生长时的细胞密度相当。”

“当我们测量随着有机体生长而硫酸盐的消失时，事情变得非常令人兴奋。那时我们可以真正证明产甲烷菌转化了这种底物。”这使研究人员能够在大规模生物反应器中安全地培养热石营养菌，因为它们不再依赖有毒和爆炸性的硫化氢气体来生长。“它为我们提供了足够的生物量来研究这种迷人的生物体，”Jespersen解释说。现在，研究人员已准备好深入研究潜在过程的细节。

硫酸盐同化途径的第一次分子解剖

为了了解硫酸盐同化的分子机制，科学家们分析了M.thermolithotrophicus的基因组。他们发现了五个有可能编码硫酸盐还原相关酶的基因。“我们成功地描述了这些酶中的每一种，因此探索了完整的途径。当你想到它的复杂性时，这是真正的杰作，”马克斯普朗克研究小组微生物代谢负责人特里斯坦瓦格纳说。

通过逐一表征这些酶，科学家们组装了产甲烷菌的第一个硫酸盐同化途径。虽然该途径的前两种酶是众所周知的并且存在于许多微生物和植物中，但接下来的酶是一种新的酶。“我们惊讶地发现，M.thermolithotrophicus似乎从异化硫酸盐还原生物体中劫持了一种酶，并对其进行了轻微修改以满足自身需求，”Jespersen说。

有些微生物将硫酸盐同化为细胞结构单元，而另一些微生物则利用它在异化过程中获取能量——就像人类在呼吸氧气时所做的那样。执行异化硫酸盐还原的微生物使用一组不同的酶来执行此操作。这里研究的产甲烷菌将其中一种异化酶转化为同化酶。“一种简单但高效的策略，很可能是这种产甲烷菌能够在硫酸盐上生长的原因。到目前为止，这种特殊的酶只在M.thermolithotrophicus中发现，没有在其他产甲烷菌中发现，”Jespersen解释说。

然而，M.thermolithotrophicus还需要应对硫酸盐同化过程中产生的两种毒物。这就是该途径的最后两种酶的用途：第一种酶再次类似于异化酶，从亚硫酸盐中生成硫化物。第二种是一种新型磷酸酶，可以高效水解另一种毒物，简称PAP。

“似乎M.thermolithotrophicus从其微生物环境中收集了遗传信息，使其能够在硫酸盐上生长。通过混合和匹配同化酶和异化酶，它创造了自己的功能性硫酸盐还原机制，”Wagner说。

生物技术应用的新途径

氢营养型产甲烷菌，例如M.thermolithotrophicus，具有将双氢(H2，例如从可再生能源人工产生)和二氧化碳(CO2)转化为甲烷(CH4)的惊人能力。换句话说，它们可以将温室气体CO2转化为生物燃料CH4，例如，可用于为我们的房屋供暖。

为此，产甲烷菌在大型生物反应器中生长。目前产甲烷菌培养的瓶颈是它们需要高度危险和易爆的硫化氢气体作为硫源。随着在M.thermolithotrophicus中发现硫酸盐同化途径，可以对已经用于生物技术的产甲烷菌进行基因工程，以改用该途径，从而实现更安全、更具成本效益的沼气生产。

“一个悬而未决的问题是为什么M.thermolithotrophicus会在自然界中同化硫酸盐。为此，我们将不得不到野外看看这种途径所需的酶是否也在微生物的自然环境中表达，”总结道瓦格纳。