再發(fā)Nature：承磊團隊揭示細菌和古菌的新型共生模式，合作共贏產天然氣

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作者：王聰來源：生物世界

2025-02-05

2025 年 1 月 29 日，承磊團隊聯(lián)合多機構研究人員發(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，一直不清楚。

2025 年 1 月 29 日，農業(yè)農村部成都沼氣科學研究所承磊團隊聯(lián)合日本國立海洋研究開發(fā)機構、日本產業(yè)技術綜合研究所及北京大學的研究人員，在國際頂尖學術期刊 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甲醇的新途徑，并提出了第四種細菌和古菌互作產甲烷模式——種間甲醇轉移。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開發(fā)帶來了新思路。

種間甲醇轉移

在地下產甲烷生態(tài)系統(tǒng)中，利用甲基化合物的古菌——甲基營養(yǎng)型產甲烷菌——的普遍存在，表明了甲基化合物在這些生境的生態(tài)學和碳循環(huán)中具有重要作用。然而，這些化合物的來源仍不清楚，因為目前尚未發(fā)現(xiàn)有能量代謝途徑能將甲基化合物作為主要產物從頭生成。

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

在這項最新研究中，研究團隊揭示了嗜甲酸趙氏桿菌的能量代謝途徑，該途徑能將甲酸轉化為甲醇，從而無需甲基化化合物作為輸入就能生成甲醇。培養(yǎng)實驗表明，甲酸驅動的甲醇生成，會因甲醇的積累而受到抑制。

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

此前人們認為，細菌和古菌互作產甲烷模式（互惠交叉喂養(yǎng)模式，也叫做互營代謝）模式依賴于氫氣、甲酸或電子傳遞，而該研究發(fā)現(xiàn)的種間甲醇轉移，代表了由熱力學必然性驅動的第四種互作產甲烷模式。

此外，研究團隊利用嗜甲酸趙氏桿菌和勝利甲烷嗜熱微球菌人工構建了合成菌群，并結合同位素示蹤、多組學等前沿技術，證實了嗜甲酸趙氏桿菌通過全新的甘氨酸—絲氨酸循環(huán)介導途徑產生甲醇，這也是首次在微生物細胞內發(fā)現(xiàn)。這種轉化過程面臨的熱力學限制，通過與產甲烷古菌——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作用為地下產甲烷生態(tài)系統(tǒng)中甲基化合物的神秘存在提供了見解，并展示了生物體如何通過代謝共生在熱力學極限下生存。

日本國立海洋研究開發(fā)機構 Masaru K. Nobu、日本產業(yè)技術綜合研究所 Souichiro Kato，農業(yè)農村部成都沼氣科學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，農業(yè)農村部沼氣科學研究所承磊團隊、深圳大學高等研究院李猛團隊與德國馬克斯普朗克海洋微生物研究所 Gunter Wegener 團隊合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species 的研究論文，在古菌降解長鏈烷烴產甲烷研究方面取得突破性進展。

該研究結合穩(wěn)定碳同位素標記培養(yǎng)、宏基因組和宏轉錄組測序、高分辨質譜等技術，深入分析了一類新型產甲烷古菌——Candidatus Methanoliparum，首次證實了其獨立降解長鏈烷基烴產甲烷的功能。

研究表明

2024 年 7 月 24 日，農業(yè)農村部成都沼氣科學研究所承磊團隊與荷蘭瓦赫寧根大學 Diana Z. Sousa 團隊合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota 的研究論文。這是我國學者首次在頂級期刊發(fā)表厭氧微生物分離培養(yǎng)的報道，是我國在厭氧古菌資源領域的一個重大突破。

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

研究表明