- 天然气生产甲基利用古细菌※1※2近年来引起人们的关注，但地下环境中甲醇的供应来源尚不清楚。
- 我们在世界上首次发现了主要最终代谢物为甲醇的“产甲醇细菌”，并揭示了一种还原甲酸并生产甲醇的新代谢途径。
- 我们证明了通过产甲醇细菌和利用甲基的古细菌之间的共生产生甲烷，并阐明了基于甲醇交换介导的新共生机制的天然气生产途径。
通过“产甲醇细菌”（左）和“利用甲基的古细菌”（右）之间交换甲醇产生共生甲烷的图片（甲醇对人体有害，请勿模仿）
Masaru K Nobu (Masaru Nobu)，日本海洋地球科学技术机构超先进研究与开发计划首席研究员（主席：Hiroyuki Yamato，以下简称“JAMSTEC”），加藤宗一郎，国家先进工业科学技术研究院（AIST，主席：Kazuhiko Ishimura，五十岚研究所地圈资源与环境研究部首席研究员 Kensuke 和高级研究员 Daisuke Mayumi 领导的研究小组发现，隐藏在黑暗地下生态系统中的甲醇介导的微生物共生支持了一条新的天然气生产途径。
天然气的主要成分甲烷被认为是由利用乙酸的古菌和利用氢的古菌由乙酸和氢气产生的。另一方面，近年来人们发现地下环境中普遍存在不能利用乙酸或氢气、只能利用甲醇等甲基化合物的“利用甲基的古菌”，而且甲醇也是天然气生产的重要底物。然而，地下环境中甲醇的供应机制一直笼罩在神秘之中。
在这项研究中，通过研究生活在地下深处的未知微生物的生理功能，我们在世界上首次发现了一种以甲醇为代谢物的新型生物体的代谢及其代谢途径，并揭示了甲烷是由这些“产甲醇细菌”直接向利用甲基的古菌提供甲醇而共生产生的。这一发现表明，甲醇是地下微生物之间建立共生关系的重要通讯工具，而甲醇介导的微生物共生对天然气生产有很大贡献。这一新的天然气生产途径的发现有望促进有效利用地下能源技术的发展，例如通过促进地下微生物的活动来增加天然气产量。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金 18H03367、19K22296、22H04985、22H05152 和 24H00582 的支持。该成果发表在自然科学和科技最高学术期刊上。自然''将于1月30日（日本时间）发布。
标题：甲醇转移支持细菌和古细菌之间的代谢综合征
作者：炎黄
1,2,3，五十岚健介
3，刘来燕
1，真由美大辅
4，氏家智美
4, 林甫
1, 闽阳
1,5，雅海路
6,雷成
1,5，加藤宗一郎
3，Masaru KNobu（Yu Nobu）
71。中国农业部努马研究所； 2北海道大学农学研究科； 3 产业技术综合研究所生物过程研究部； 4 产业技术综合研究所地圈资源环境研究部；
DOI：
101038/s41586-024-08491-w
人们相信，在地球地下深处蔓延的黑暗而极端的生态系统中，存在着许多未知的、未培养的微生物，它们的生活方式和生理功能都是未知的，还有许多我们尚不了解的生命现象。 JAMSTEC 和 AIST 一直致力于通过探索和阐明未知微生物隐藏的新生理功能来理解生物现象，并创造利用它们的新生物技术。2020 年 1 月 16 日报告参考 1、2023 年 11 月 8 日报道参考 2、2024 年 6 月 3 日报告参考文献 3）。
地球地下深处产生的天然气是世界范围内的重要能源，有关其生产过程的知识为估算天然气资源和勘探天然气矿藏提供了必要的信息。甲烷是天然气的主要成分，长期以来一直被认为是由细菌分解来自古代动植物遗骸的有机物以及利用乙酸的古细菌和利用氢的古细菌分别产生的产物乙酸和氢气而产生的。近年来，除了利用乙酸和利用氢气的古菌外，以甲醇等甲基化合物为底物产生甲烷的“利用甲基古菌”在地下环境中也普遍存在，并发现在一些油田环境中它们是古菌中占优势的特征微生物。因此，除了乙酸和氢气之外，甲醇现在被认为是重要的天然气生产底物。
众所周知，木质素和果胶等含甲基物质分解时会产生少量甲醇，但它是一种对生物有剧毒的物质，目前还没有发现生物代谢能够特意合成这种有毒物质。甲醇是微生物学、地球化学、资源与能源工程等领域尚未解决的主要问题之一，而甲醇本应被利用甲基的古菌所利用。
我们使用相同的底物进行未知的生物反应，产生甲醇C1 化合物※3我们重点关注甲酸，它普遍在氧气无法到达的环境（例如地下）中产生。从地下油田环境中分离出的细菌（食蚁兽Zaonella formicivorans) 具有无法单独使用甲酸生长的独特性质，尽管它具有甲酸利用基因。有可能是这种未知的甲酸利用能力扎奥内拉是这项研究的中心目标。
扎奥内拉与来自相同环境的利用甲基的古细菌（胜莲甲孢菌)共培养，我们观察到随着两者的生长，甲酸产生了甲烷（图1A）。扎奥内拉没有甲烷生产能力，甲基球菌属不具备利用甲酸的能力，所以扎奥内拉是由甲酸产生的某种化合物甲基球菌属来建立的。分析培养液中所含的代谢物，结果检测到甲醇，尽管浓度非常低（~10 μM）。此外，扎奥内拉在甲酸存在下单独培养，证实随着甲酸的消耗，产生了少量甲醇（图1B）。
能够跟踪碳的代谢命运”稳定同位素示踪法※4”扎奥内拉由甲酸生产甲醇，甲醇是甲基球菌属很快转化为甲烷。另一方面，甲基球菌属的情况下，甲醇累积至约200 μM，反应停滞。扎奥内拉的增长也没有观察到（图1B）。由此看来，扎奥内拉的甲醇生产活动甲基球菌属的存在
从上述结果来看，扎奥内拉是一种以前从未报道过的“产甲醇细菌”，甲醇的积累会导致反应停滞。此外，研究表明，利用甲基的古细菌消耗甲醇并保持较低的浓度，使反应顺利进行并建立相互依存的共生关系。
图1 (A) 产甲醇细菌(扎奥内拉) 和利用甲基的古细菌 (甲基球菌属)生产甲烷。检测到低浓度的甲醇，这是建立共生所必需的。 (B) 产甲醇细菌的单一培养物中的甲醇生产。当约 200 µM 甲醇累积时，生产停止。
包括甲醇生产机制扎奥内拉未知的代谢系统，我们在独立和共生条件下进行了基因组分析和全面的基因表达分析。扎奥内拉有两种类型的酶（乙醇脱氢酶 [ADH] 和醛氧化还原酶 [AFOR]），一种是酵母等用来生产乙醇的酶，另一种是许多生物体用来解毒（氧化降解）乙醇和甲醇的酶。令人惊讶的是扎奥内拉在与利用甲基的古细菌共生期间大量表达这些酶。扎奥内拉被发现具有类似于酵母中乙醇生产的新型代谢，也是甲醇解毒的逆反应，通过甲醛将甲酸还原为甲醇（图2，左侧途径）。
扎奥内拉扎奥内拉是来自甲酸的CO2经过对基因组和基因表达信息的详细分析，扎奥内拉推测使用一种新颖的代谢系统，该系统结合了被认为是原始有机合成机制的两种碳固定途径（乙酰辅酶A途径和还原甘氨酸途径）以及与其连接的新途径（氧化甘氨酸-丝氨酸循环），以与甲酸氧化并行地进行有机化合物合成（图2，右侧途径）。针对细胞内代谢物的稳定同位素示踪实验证实，甲酸中所含的碳转化为该途径的特征性代谢物（丝氨酸、甲基-THF、甲酰基-THF等），证明了该途径的有效性。为了在难以获得有机物的地下区域有效利用甲酸，人们认为他们开发了一种代谢功能，可以使甲酸氧化和有机物合成并行发生。
图 2 本研究揭示了甲醇生产细菌的新代谢途径。研究发现，甲酸氧化/有机合成途径由甲酸生产甲醇途径（灰色）、两种古老的碳固定途径（蓝色、绿色）以及与之相连的新的“氧化甘氨酸/丝氨酸循环”（橙色）组成。氧化甘氨酸-丝氨酸循环是一种具有不寻常能力的代谢途径，以前被认为是柠檬酸循环所独有的，柠檬酸循环是生命的中心代谢之一。 （具体来说，这两条路线都循环地将具有两个碳的有机物转化为CO2并在此过程中产生生物合成所需的化合物。 )
综上所述，扎奥内拉被发现是一种具有前所未有的代谢系统的微生物，它通过甲醇解毒的逆反应产生甲醇，并利用一种新的途径与甲酸氧化并行合成有机物。根据这项研究的结果，大量宏基因组学※5重新分析数据的结果是，这次扎奥内拉中发现的新代谢途径被发现具有来自各种环境（包括地下）的系统发育多样化的微生物。近年来，人们发现利用甲基的古菌存在于各种环境中，我们发现通过微生物共生通过甲醇产生甲烷可能不仅有助于地下圈层的天然气生产，还有助于废水处理甲烷发酵和稻田甲烷产生。
甲烷是一种能源和强大的温室气体，了解各种环境中甲烷的产生机制对于开发天然气储量和减少农田温室气体排放等技术非常重要。特别是近年来，人们努力通过控制和促进地下微生物活动，将枯竭油田中剩余的劣质煤炭和原油转化和回收为甲烷。强化微生物煤层瓦斯回收技术※6是啊微生物采油技术※7正在引起人们的注意。这项研究的结果预计将通过提供有效利用地下能源所需的基础知识来促进新技术的开发。