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《自然》颠覆性发现:所有生命,都是甲烷生产者

2022年03月14日 09:33 药明康德 点击:[]

作为结构最简单的有机物,甲烷也是一种强效温室气体——其温室效应是二氧化碳的20多倍。而在向大气释放的甲烷中,有70%都是生物来源。科学家早已揭示了这些甲烷的来源:一类古菌可以在缺氧环境中,在酶的参与下利用二氧化碳、氢气等简单反应物产生甲烷。

进入21世纪后,人们逐渐意识到,生物成因的甲烷形成过程远比这个故事复杂。能产生甲烷的不止是那些产甲烷古菌,反应条件也不限于缺氧环境。从藻类、蓝细菌到多细胞的真菌、植物,越来越多的证据表明,多种需氧生物都能产生甲烷。但这些生物究竟是如何产甲烷的,却始终是个未知数。

在本周《自然》杂志的一项最新研究中,由德国海德堡大学领导的团队提出了一个颠覆性的观点:包括人类在内,所有生物都是甲烷的生产者。这个结论不仅让我们重新认识甲烷在生命过程中的作用,还将为多个领域带来全新见解。


早在8年前,这支团队就在一篇《自然·通讯》论文中,描述了一个通过非生物途径三步生成甲烷的过程。简单地说,这个反应不需要酶参与,且主要原料只有3类:活性氧簇(ROS)、自由铁以及合适的甲基供体。

整个反应过程也不复杂:首先,ROS(该反应使用的是过氧化氢)和二价铁离子反应,产生高度还原的羟基自由基(·OH);随后,羟基自由基与甲基供体反应,形成甲基自由基(·CH3);最后,甲基自由基和氢自由基(·H)结合,产生甲烷分子。

在实验室中揭示了这个甲烷生成过程之后,研究团队产生了一个大胆而有趣的想法。在生命体内中,这些原料并不罕见(例如,细胞中也在持续产生、释放包括过氧化氢在内的ROS,而自由铁和甲基供体也是常见的代谢产物),并且细胞环境也与上述实验室反应条件相近。那么,这个产甲烷的过程同样可以在生物体内发生吗?


▲这个无需酶参与而产生甲烷的反应,在细胞内的流程示意(图片来源:参考资料[2]

在最新研究中,研究团队首先利用枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)来检验这个猜想。这种细菌的生命周期包含了两种状态:休眠期和生殖生长期,因此可以用作对照,研究新陈代谢过程能否生成甲烷。

实验结果十分清晰:在含有甲基供体二甲基亚砜(DMSO)的培养基中,不需要任何酶的参与,处于生殖生长期、代谢旺盛的枯草芽孢杆菌能持续生成甲烷,而休眠期的细菌则不会生产甲烷。

随后的控制变量实验显示,这些细菌可获取的甲基供体、自由体的含量,对于最终的甲烷产量也起到了明显的调控作用。尤其值得注意的是,除了更强的新陈代谢,出现氧化应激时,即ROS过剩导致细胞无法维持氧化还原平衡,细菌的甲烷产量也随之上涨。

进一步的实验证实,能通过这个过程产生甲烷的不仅有枯草芽孢杆菌。从之前被认为不产甲烷的其他古菌,到酵母、黏菌等真菌;从代表植物界的葡萄,再到人源的细胞系(人胚肾细胞),都能在DMSO的培养基中生成甲烷,并且在氧化应激条件下甲烷产量更高。因此研究认为,或许所有进行新陈代谢的生命体,都能通过这个普适的过程,在细胞内持续产生甲烷。


▲在实验室中,不同生物细胞产生甲烷的浓度(图片来源:参考资料[1]

如果这个猜想最终得到证实,那么一系列生命活动都有望得到新的解释。在生物体内,新陈代谢产生的ROS大量堆积时,可能对DNARNA和蛋白质等重要分子造成损伤。而这个新发现的过程,或许是消除过量ROS的一种途径。

论文通讯作者之一,海德堡大学的Frank Keppler教授表示:我们的发现将成为理解需氧甲烷生成的里程碑,这个通用机制还将解释之前在植物身上观察到的现象。

值得注意的是,在之前的研究中,即使是对于同一种生物,不同个体的甲烷产量也可能有几个数量级的差异。而最新研究揭示的机制,或许能解释这个现象——那些极高的甲烷产量,可能是因为个体正进行着活跃的代谢活动。

可以说,这个令人意外的发现在广阔的领域都具有重大意义。医学领域,细胞中和通过组织扩散的过量甲烷可以指示细胞压力、氧化还原不平衡等。“呼吸中甲烷的波动能反映氧化应激程度,或是指向免疫系统。” Keppler教授说。而在气候领域,通过这个过程产生的甲烷是否会对全球气候产生影响,同样尚不清晰。但对我们来说,足够清晰的是,这个关于常见气体的发现将为我们理解自身以及整个世界,打开一扇全新的窗口。

参考资料:

[1] Ernst, L., Steinfeld, B., Barayeu, U. et al. Methane formation driven by reactive oxygen species across all living organisms. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04511-9

[2] Methane might be made by all living organisms. Retrieved Mar. 9, 2022 from https://www.nature.com/articles/d41586-022-00206-3

[3] Althoff, F., Benzing, K., Comba, P. et al. Abiotic methanogenesis from organosulphur compounds under ambient conditions. Nat Commun (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms5205


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