上海交通大学张宇团队发现深海冷泉有机碳来源的新机制

图3 冷泉碳循环的新模型

冷泉通常指富含甲烷等碳氢化合物的流体从海底沉积物界面下渗漏或喷涌的区域。冷泉又被誉为深海生命的绿洲，微生物、贻贝等生物以冷泉喷发物作为能量来源大量繁殖。其中，由甲烷厌氧氧化古菌（ANME，ANaerobic MEthanotroph） 和硫酸盐还原细菌（SRB，Sulfate-Reducing Bacteria） 介导的甲烷厌氧氧化过程（AOM，Anaerobic Oxidation of Methane） 是支撑整个冷泉生态系统的主要能量来源，也是目前已知能够维持生命的低能量极限反应过程之一 （反应式：CH4 + SO42- HCO3- + HS- + H2O） 。AOM每年屏蔽了海底约88%的甲烷释放，深刻影响了深海碳循环和全球气候变化。

在传统的认知中，AOM过程将甲烷转化为无机碳，不能为冷泉生态系统提供有机碳。然而，冷泉环境中存在丰富而多样的微生物群落，包括大量依靠有机碳生长的异养微生物。对全球23个天然冷泉的调查发现，异养细菌的细胞量占比可高达50%以上。冷泉生态系统大量的异养微生物生长所需要的有机碳来源一直是未解之谜。

针对这一科学难题，上海交通大学张宇团队在Nature Communications发表文章Genomic and enzymatic evidence of acetogenesis by anaerobic methanotrophic archaea，发现了冷泉ANME古菌产乙酸的新途径并解析了这一途径的分子机制。

在AOM过程支撑的微生物生态系统中的乙酸产生

研究者利用连续培养8年后获得的ANME-2a 富集物做起始样品，将其培养在一个仅由AOM过程作为能量来源的气液混合流动高压培养系统中。该培养系统是研究团队多年研发的深海环境模拟技术之一，可以独立控制甲烷分压和培养压力，模拟深海天然环境的冷泉喷发。在长达8个月的培养实验中，每两天取样，检测到了AOM活性以及1.39~2.56 μM 的乙酸。大量可利用乙酸的异养微生物群落在培养系统中稳定存在。通过同位素标记实验证明乙酸的来源为甲烷，推测ANME古菌为介导甲烷转化为乙酸的关键微生物。

ANME-2a将甲烷转化为乙酸的分子机制

通过宏基因组学分析，发现在ANME-2a的基因组中不仅存在从甲烷到二氧化碳的这一经典的AOM途径的所有基因，同时存在甲烷转化成乙酸的完整途径（图1）。研究者克隆了编码产乙酸最后一步的两个关键蛋白ADP-forming acetate-CoA ligase （Acd） 和 acetyl-CoA synthetase （Acs） 的基因，将其在大肠杆菌中进行异源表达，并在体外鉴定相应的催化活性。结果显示，Acd具有催化乙酸形成活性，其对acetyl-CoA的亲和力为Km=31.28 μM（图3b）。Acs对acetyl-CoA的亲和力 （Km=8.5 μM） 为比对乙酸的亲和力 （Km=0.49 mM） 更高（图3d, 3e）。至此，研究者证实了ANME-2a古菌将甲烷转化为乙酸的能力，并解析了其分子机制。

图1 通过宏基因组学分析重建ANME-2a代谢途径。红色为甲烷转化为二氧化碳和乙酸的途径。

古菌的乙酸代谢在天然冷泉环境中广泛分布

随后，研究者对来自77个天然冷泉环境中的113个acd基因进行系统发育树构建，证实古菌的乙酸代谢在冷泉环境中广泛存在，指示甲烷转化成乙酸这一生物过程的重要生态意义。

图2 acd 基因在冷泉古菌中的分布

深海冷泉碳循环的新模型：

基于上述结果，研究者提出了冷泉碳循环的新模型：ANME古菌将甲烷厌氧氧化为无机碳的同时产生有机碳，为生态系统中的异养微生物提供碳源（图3）。计算表明，ANME古菌消耗的甲烷中有3~25%没有被完全氧化成二氧化碳，而是转化为乙酸或者其他的有机物。在深海冷泉环境中，由于高的甲烷分压，甲烷转化为有机碳不再是一个耗能反应（在本研究的实验条件下，甲烷氧化为乙酸的吉布斯自由能为-4.6 kJ/mol），使得这一生物过程可持续。这一新发现的有机碳的产生过程对准确评估深海的碳储库，解析冷泉生态系统的形成机制，都具有重要意义。

上海交通大学博士生杨姗姗为本文第一作者，张宇副研究员为通讯作者。 上海交通大学吕永新、刘喜朋、王寅炤、范启连、杨植峰、王风平、肖湘，以及比利时根特大学Nico Boon为合作作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-17860-8.pdf

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信息来源：BioArt 责编 | 酶美

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