三篇Nature论文首次提供实验证据表明新发现的产甲烷菌确实产生甲烷

蒙大拿州立大学文理学院化学与生物化学系副教授Roland Hatzenpichler及其团队首次提供了实验证据，表明在黄石国家公园热地貌中繁衍的两种新微生物会产生甲烷。这一发现有朝一日可能有助于开发减缓气候变化的方法，并为太阳系其他地方的潜在生命提供新见解。他们的研究成果以两篇论文的形式于2024年7月24日在线发表在Nature期刊上，论文标题分别为“Cultivation and visualization of a methanogen of the phylum Thermoproteota”和“Methyl-reducing methanogenesis by a thermophilic culture of Korarchaeia”

这两篇科学论文描述的两类新微生物会产生甲烷，但是它们不属于广古菌门（Euryarchaeota），而广古菌门是生命之树中更大的分支——古细菌（Archaea）的一部分。

产生甲烷的单细胞生物被称为产甲烷菌（methanogens）。人类和其他动物吃食物、呼吸氧气和呼出二氧化碳来维持生命，而产甲烷菌则吃小分子物质，如二氧化碳或甲醇，并呼出甲烷。大多数产甲烷菌是严格的厌氧菌，这意味着它们不能在有氧气的环境中生存。

自 20 世纪 30 年代以来，科学家们就知道古细菌中的许多厌氧生物都是产甲烷菌，而且几十年来，他们一直认为所有产甲烷菌都属于一个门：广古菌门。

但是大约 10 年前，人们开始在包括泉古菌门（Thermoproteota）在内的其他门类中发现带有甲烷生成基因的微生物。泉古菌门包含两个微生物类群，分别叫做 Methanomethylicia 和 Methanodesulfokora。

Hatzenpichler 说，“我们对这些生物的了解仅限于它们的 DNA。没有人见过这些假定的产甲烷菌的细胞；没有人知道它们是否真地使用了甲烷生成基因，还是通过其他方式生长。”

基于Hatzenpichler实验室的前研究生Mackenzie Lynes去年发表的一项研究的结果（ISME Communications, 2023, doi:10.1038/s43705-023-00225-9），Hatzenpichler团队开始测试这些生物是否以甲烷生成为生。他们研究的产甲烷菌样本取自黄石国家公园温泉的沉积物，温度在华氏 141 到 161 度（61～72 ℃）之间。

通过Hatzenpichler形容的“艰苦的研究工作”，Hatzenpichler实验室博士生Anthony Kohtz和博士后研究员Viola Krukenberg在实验室里培育出了这两种来自黄石国家公园的产甲烷菌。这两种产甲烷菌都属于泉古菌门，其中的一种称为Methanosuratincola verstraetei，另一种称为Methanodesulfokora washburnenis。它们不仅存活了下来，而且茁壮成长，并产生了甲烷。Hatzenpichler团队随后与苏黎世联邦理工学院的Zackary Jay等人合作，研究这些新的微生物的生物学特性。

与此同时，中国农业农村部沼气科学研究所研究员承磊（Lei Cheng）课题组和荷兰瓦赫宁根大学的 Diana Sousa课题组在另一项新的研究中也成功培育出了另一种新的产甲烷菌。相关研究结果于2024年7月24日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota”。Cheng课题组和Sousa课题组报告分离出Methanomethylicia的另一个成员，即Methanosuratincola petrocarbonis。

Hatzenpichler说，“在我们的研究之前，除了DNA测序之外，还没有人对这些微生物进行过实验研究。”

Hatzenpichler说，虽然泉古菌门中的Methanodesulfokora似乎仅限于温泉和深海热液喷口，但泉古菌门中的Methanomethylicia却分布广泛。

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07631-6

它们有时会出现在废水处理厂、反刍动物的消化道以及海洋沉积物、土壤和湿地中。Hatzenpichler 说，这很重要，因为产甲烷菌产生的甲烷占全球总量的 70%，根据美国环境保护署的数据，甲烷在大气中捕获热量的能力是二氧化碳的 28 倍。他说，“甲烷含量的增长速度远高于二氧化碳，人类向大气中排放甲烷的速度比以往任何时候都高。”

Hatzenpichler说，虽然这些实验回答了一个重要问题，但它们也产生了更多的问题，这些问题将推动未来的研究工作。例如，科学家们还不知道生活在非极端环境中的Methanomethylicia是否依靠甲烷生成来生长，还是通过其他方式生长。

Hatzenpichler说，“我最有把握的是，它们有时通过制造甲烷来生长，有时则完全做其他事情，但我们不知道它们何时生长，如何生长，为什么生长。我们如今需要弄清它们什么时候会促进甲烷循环，什么时候不会。”

尽管广古菌门中的大多数产甲烷菌使用二氧化碳或醋酸盐制造甲烷，但是Methanomethylicia和Methanodesulfokora则使用甲醇等化合物制造甲烷。这种特性可能帮助科学家们了解如何改变它们所在的不同环境中的条件，从而减少排放到大气中的甲烷。

Hatzenpichler实验室将于今年秋天开始与蒙大拿州立大学波兹曼农业研究与教学农场合作，该农场将为进一步研究牛体内的产甲烷菌提供样本。此外，秋季加入Hatzenpichler实验室的新研究生将确定新发现的产甲烷菌是否会在废水、土壤和湿地中产生甲烷。

Hatzenpichler 说，Methanomethylicia还具有迷人的细胞结构。他与苏黎世联邦理工学院的两位科学家Martin Pilhofer和Nickolai Petrosian合作，证实这类微生物会形成以前未知的细胞间管道，将两三个细胞相互连接起来。

Hatzenpichler 说，“我们不知道它们为什么会形成这些细胞间管道。像这样的结构在微生物中很少见。也许它们在交换 DNA；也许它们在交换化学物质。我们还不知道为何如此。” （生物谷Bioon.com）

参考资料：

Anthony J. Kohtz et al. Cultivation and visualization of a methanogen of the phylum Thermoproteota. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07631-6.

Viola Krukenberg et al. Methyl-reducing methanogenesis by a thermophilic culture of Korarchaeia. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07829-8.

Kejia Wu et al. Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07728-y.