2021年7月2日消息,来自蒙大拿州立大学农业学院和文理学院的跨学科科学家团队最近发表了一项研究,根据十多年来从黄石国家公园收集的数据,为碳循环中以前未知的元素提供了新的线索。


甲烷合作之谜被解:微生物在有氧条件下将甲胺转化为甲烷的关键一环被找到

蒙大拿州立大学几个系的合作团队即将出版的出版物重点介绍了黄石湖十多年来研究生物体处理和产生大气甲烷的方式的新发现。图片来源:Kelly Gorham 的 MSU


密歇根州立大学土地资源与环境科学系教授蒂姆·麦克德莫特 (Tim McDermott) 于 2007 年开始研究黄石湖的微生物学。 在收集数据以分析湖的化学成分以及湖中各种微生物与公园潜在热特征的相互作用时,麦克德莫特注意到有些不对劲。


“我们发现了一些毫无意义的湖水气体化学物质,”麦克德莫特说:“我们在我们没想到的地方看到了很多甲烷,并想知道,'这里发生了什么?'”


这种差异说明了所谓的“甲烷悖论”。多年来,科学家们已经明白,当微生物产生甲烷时,它们是厌氧的,这意味着它们不使用氧气。但是在团队看到甲烷的湖面水中,没有发现任何生物。


甲烷是一种由碳原子和氢原子组成的天然气体。它是许多生物过程的副产品,尽管开采煤炭和提炼天然气等人类活动也会产生甲烷。众所周知,它是一种温室气体,在吸收大气中的热量时比二氧化碳强得多,这就是为什么许多研究人员有兴趣确定它在生物圈中的哪个位置产生以及它去哪里。


于是开始了与同样来自土地资源与环境科学系的 John Dore 长达数年的合作。化学与生物化学系的 Brian Bothner 和 Roland Hatzenpichler;微生物学与细胞生物学系助理研究教授王倩。这项研究是本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇题为“有氧细菌甲烷合成”的新论文的主题。

甲烷合作之谜被解:微生物在有氧条件下将甲胺转化为甲烷的关键一环被找到

王在黄石湖领导了五个夏天的数据收集和分析工作。


“一开始,我们没有意识到发生了什么,”她说:“但是当我们从湖水中提取 DNA 时,结果发现我们找不到通常导致甲烷存在的厌氧生物。相反,我们发现了好氧细菌,分离了一种叫做酸食性细菌的细菌,它然后让我们开始了解这个过程。”


Bothner 实验室小组使用分析设备来确定湖水中是否存在甲胺和甘氨酸甜菜碱,该小组假设这些生化物质是甲烷生产过程中的关键。为了验证这一理论,Wang 缩小了嗜酸菌将甲胺或甘氨酸甜菜碱转化为甲烷所需的基因。


“我们可以将其分解为关于在有氧条件下甲胺转化为甲烷的基本发现,”麦克德莫特说:“从科学上讲,根据我们所拥有的所有知识,这不应该发生。因此,我们经历了一个消除过程,以确定发生这种情况的方式和原因,这是黄石公园研究基础发现的另一个例子。”


通过一系列微生物实验和对湖泊样本中更广泛的生物群落的广泛分析,Wang 确定了一个已知的基因,该基因编码天冬氨酸氨基转移酶或 AAT,它似乎在催化甲烷合成。


下一步是看 AAT 酶本身是否能够催化甲胺转化为甲烷。为此,Wang 分离了该基因,将其转移到大肠杆菌中,因为它具有表达外源基因的能力,因此被微生物学家和生物化学家广泛使用。麦克德莫特将其比作将盒式磁带插入播放器。


普通的大肠杆菌细胞不能将甲胺转化为甲烷。但是当提供 AAT 基因时,它可以。


“现在很少遇到我们目前对生物化学的理解无法解释的事情,”Bothner 说:“这使得它成为一个有趣且具有挑战性的项目。”


这一发现的重要性怎么强调都不为过。有氧甲烷合成完全可以发生的事实是生物地球化学领域的一次地震。由于甲烷是一种比二氧化碳强得多的温室气体,因此科学家们有兴趣确定它在生物圈中的哪个位置产生以及它去了哪里。他说,这个项目为黄石国家公园及其他地区的广泛深入研究创造了一个跳板。


“这是一个与厌氧甲烷合成完全不同的过程,”麦克德莫特说:“从生态的角度来看,认为这发生在整个生物圈是合乎逻辑的,而不仅仅是在黄石湖。可以想象,它甚至发生在世界各地的海洋和全世界。”



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