微生物海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室在低能量生命過程研究中取得突破進(jìn)展
?????? 近日，微生物海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)刊The ISME Journal上發(fā)表了研究文章《Methanotrophic archaea possessing diverging methane oxidizing and electron transporting pathways》，對(duì)厭氧甲烷氧化菌的多種電子傳遞途徑進(jìn)行闡述，證實(shí)了厭氧甲烷氧化具有遵循產(chǎn)甲烷過程的逆反應(yīng)的生物學(xué)基礎(chǔ)。
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?????? 厭氧甲烷氧化過程（AOM, anaerobic oxidation of methane）每年消耗全球海洋中甲烷年產(chǎn)量的85%，是控制海洋中甲烷釋放的關(guān)鍵步驟，直接影響著全球的氣候變化。同時(shí)，AOM過程中標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能理論計(jì)算值只有-16.6kJ/mol CH4，接近生物可利用的能量極限，是一個(gè)典型的深海極端環(huán)境中的低能量生物過程。在這一過程中起關(guān)鍵作用的微生物是一類暫命名為厭氧甲烷氧化菌的古菌（ANME, anaerobic methanotrophic archaea）。ANME生長(zhǎng)緩慢，代增時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，目前全世界尚沒有實(shí)驗(yàn)室能獲得ANME的純培養(yǎng)。微生物海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室采用自主設(shè)計(jì)研發(fā)的深海冷泉模擬及低溫高壓微生物培養(yǎng)系統(tǒng)（目前已知的唯一一套正在運(yùn)轉(zhuǎn)的長(zhǎng)周期氣液混合高壓流動(dòng)培養(yǎng)系統(tǒng)）對(duì)海洋泥火山環(huán)境樣本進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三年的富集培養(yǎng)，得到了ANME-2的富集物。通過進(jìn)一步的宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、單細(xì)胞團(tuán)分選和基因組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)甲烷產(chǎn)生途徑中的所有關(guān)鍵7步酶的基因在ANME-2體內(nèi)都存在并表達(dá)。同時(shí)，對(duì)ANME-2的能量代謝途徑分析發(fā)現(xiàn)ANME-2細(xì)胞內(nèi)不存在經(jīng)典的氫酶，但是有Fpo，Hdr，Cytochrome C，Rnf等多種電子傳遞途徑關(guān)鍵酶的基因表達(dá)，表明其能量代謝的多樣性。該項(xiàng)研究從化學(xué)反應(yīng)、基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多角度同時(shí)證實(shí)了厭氧甲烷氧化是甲烷產(chǎn)生的逆反應(yīng)，并證明ANME-2進(jìn)化出多樣化的能量代謝機(jī)制以適應(yīng)低能量環(huán)境并快速應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。
?????? 本工作將極大地推動(dòng)對(duì)AOM這一海洋碳循環(huán)中關(guān)鍵生物過程的研究，對(duì)深入理解低能量環(huán)境中的生物過程以及生物對(duì)低能量環(huán)境的適應(yīng)性機(jī)制做出貢獻(xiàn)；同時(shí)也為生命起源與早期地球環(huán)境演化研究提供了現(xiàn)代生物學(xué)依據(jù)。上海交通大學(xué)微生物海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)室在該研究項(xiàng)目中綜合利用了生物工程和分子生物學(xué)技術(shù)，聯(lián)合了比利時(shí)根特大學(xué)、德國(guó)不萊梅大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)等國(guó)際研究小組協(xié)同攻關(guān)。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB808800 )，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91228201，31290232），以及“863”項(xiàng)目(2012AA092103-2)的支持。
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文章鏈接：http://www.nature.com/doifinder/10.1038/ismej.2013.212
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