厭氧細菌和產甲烷古菌的第四種共生模式——種間甲醇轉移示意圖。沼氣所供圖

地球深處，既沒有陽光也沒有氧氣，卻生存著這個星球上最古老的生命體——擁有奇特生活習性的古菌。

在這些單細胞微生物中，產甲烷古菌備受關注，因為它們能產生天然氣的主要成分甲烷。

神秘古菌究竟如何產生甲烷?農業農村部成都沼氣科學研究所(以下簡稱沼氣所)研究員承磊和日本國立海洋研究開發機構等團隊合作，發現了古菌及其“親密鄰居”細菌互贏共生的第四種生存模式，即種間甲醇轉移，并鑒定出一條甘氨酸-絲氨酸循環介導的甲醇生成新途徑。近日，相關研究成果發表于《自然》。

論文審稿人、丹麥技術大學教授Pablo Ivan Nikel指出，這是一種此前未知的、由甲醇介導的古菌和細菌的共生關系。論文闡述了這種一碳醇如何促進代謝物的交換，從而有助于油藏中的碳循環，加深了人們對代謝相互作用和微生物生態學的理解。

《自然》高級編輯George Caputa表示，這項研究揭示了一種新的微生物關系，并強調了甲醇不僅僅是微生物代謝的碳源。

愛喝“酒”的神秘嗜熱古菌

傳統觀點認為，細菌與古菌合作產甲烷只能利用簡單的一碳或者二碳化合物，并且主要依賴3種模式：種間氫轉移、種間甲酸轉移和種間直接電子傳遞。這里所說的種間，一般是指細菌和古菌之間。

廣泛分布于地球多種生態環境中的甲基營養型產甲烷古菌，能將甲醇以及其他含甲基化學基團的化合物轉化為甲烷，其背后機制和上述3種都不一樣。“它們到底如何產生甲烷，是否也通過類似種間電子傳遞的方式參與地下碳循環，是一個非常值得探究的問題。”承磊說。

承磊所在的沼氣所厭氧微生物實驗室已有40余年歷史，擁有專業的厭氧微生物研究平臺和技術，保藏了1400多種厭氧微生物模式物種。其中，一株2007年分離自我國勝利油田深層油藏的產甲烷古菌，讓承磊看到了揭秘甲基營養型產甲烷古菌的希望。

這株產甲烷古菌是一個新物種，由于分離自勝利油田且能在65℃高溫下存活而得名勝利甲烷嗜熱球菌。它對工作人員“投喂”的甲醇表現出強烈依賴，并能產生甲烷。“這是生長溫度最高的甲基營養型產甲烷古菌。”承磊說。

研究人員當時提出一個假設——地下細菌在分解有機物時，可能也會產生電子，并傳遞給甲基營養型產甲烷古菌。

2016年，承磊團隊啟動了這項研究，但是能用于產電的細菌主要是中溫菌。所以，第一步需要尋找新的高溫產電細菌。

“幸運的是，我們那時已經開發了新型的厭氧、無菌、可控溫的手套箱，以及半自動化的挑菌儀和快速鑒定系統，突破了厭氧微生物高通量分離篩選的技術瓶頸。”承磊說，他們做了大量的共培養實驗，在不斷的失敗中堅持下來。

論文第一作者、沼氣所副研究員黃艷在那時加入了團隊，并接手了這個課題。經過兩年努力，他們終于建立了細菌和古菌共培養產甲烷體系。

其中的細菌來自承磊團隊前期從地下油藏中分離的新物種，它能在高溫下生存，而且愛“吃”甲酸，是勝利甲烷嗜熱球菌的“好鄰居”。為了紀念中國厭氧微生物學奠基人、沼氣所研究員趙一章，他們將這一細菌命名為嗜甲酸趙氏桿菌。

2018年，承磊和時任日本產業技術綜合研究所(AIST)研究員Masaru K. Nobu交流了研究進展和想法，并達成合作共識——通過聯合培養博士研究生，讓黃艷帶著這個課題讀博，進一步開展細菌和古菌互作的分子機制研究。

一個釀“酒”一個買“醉”微生物的共營奇緣

“從2019年到日本讀博起，我與合作者想盡各種辦法，驗證古菌和細菌是通過種間直接電子傳遞方式產生甲烷的。”黃艷說。

然而，“花式”驗證了一年多，實驗卻毫無進展。“我挺發愁的，一度覺得這個課題要‘掛掉’。”黃艷說。

一天夜里，黃艷再次回想起白天的實驗，在厭氧菌里添加了導電材料，但是并沒有出現文獻報道的情況——如果古菌和細菌通過種間直接電子傳遞方式產生甲烷，應該可以看到產甲烷速率增加的趨勢。

一個模糊的念頭一閃而過：“難道它們之間不是依靠直接電子傳遞方式?”這個想法在黃艷腦中越來越清晰。她決定第二天用不能導電卻可以透過一些物質的滲透膜把古菌和細菌分開，看看它們還能不能產甲烷。

實驗結果出乎意料，古菌依然可以正常產出甲烷。

黃艷猜測，如果古菌和細菌之間不是通過種間電子傳遞，那么極有可能是一種新的互作機制。她興奮地向導師、AIST上級主任研究員Souichiro Kato提出新猜想。不料，Kato非常淡定地說：“去證明它。”

“我們通過熱力學計算提出地下微生物可能代謝甲酸鹽——地下另一種常見的單碳化合物，從而生成甲醇。熱力學特征表明，將甲酸鹽轉化為甲醇的微生物，需要與利用甲醇的微生物建立緊密的共生關系，這涉及互營代謝作用。”黃艷說，于是研究團隊嘗試從培養、基因表達情況、代謝分析等角度證明這個假設。

“甲酸鹽的消耗和甲醇的生成符合預測的化學計量比例，但在少量甲醇積累后，代謝就停止了。”承磊說。

黃艷發現，在他們構建的細菌和古菌共培養產甲烷體系中，嗜甲酸趙氏桿菌對甲酸鹽的降解直接與產甲烷古菌的甲烷生成相耦合。

“這就像細菌釀了一壺‘假酒’，自己喝不下，古菌卻甘之如飴。”承磊解釋道，“這種互作不僅突破了熱力學限制，還開辟了第四種產甲烷模式。我們證明了甲醇從細菌轉移到產甲烷古菌，從熱力學角度可定義為一種新的互營代謝模式——種間甲醇轉移。”

應用前景：從“地下沼氣”到碳中和

但是，嗜甲酸趙氏桿菌與勝利甲烷嗜熱球菌的生存模式和此前發現的共營模式都不一樣，其背后的代謝機制依然是一個“黑匣子”。

團隊成員又一頭扎進實驗室。

黃艷說，從甲酸到甲醇是一個還原反應，需要消耗電子;按照電子守恒定律，同時還需要一個甲酸到二氧化碳的氧化反應為這個還原反應提供電子。“但我們在實驗中沒有檢測到通常負責這個代謝過程的基因發揮作用。”

這個問題使研究一度陷入僵局。經過反復推敲和論證，研究人員發現，二氧化碳是由一條此前未被報道的“甘氨酸-絲氨酸循環”路徑產生的。和傳統認知不盡相同，甚至有一點“南轅北轍”——整個代謝過程先發生還原反應，再進行氧化。“這個途徑太神奇了!”黃艷說。

經過幾個月，他們終于重構了細菌將甲酸鹽轉化為甲醇和二氧化碳的代謝途徑。“甘氨酸-絲氨酸循環”和三羧酸循環有許多共同特征，而三羧酸循環涉及一系列至關重要的反應，包括呼吸細胞中的能量產生以及氨基酸等細胞構成要素的合成。

“據我們所知，這種代謝過程是首個已知的以甲醇為主要代謝產物的生物反應。”承磊說，從能源角度看，這種相互作用可能為提高或調控天然氣生產力提供新思路。鑒于甲烷是一種強效溫室氣體，對地下碳循環的深入理解有助于更精確預測全球甲烷排放如何影響氣候變化。

不過，與其他互營代謝模式相比，種間甲醇轉移對碳通量的相對貢獻仍未明確。除研究描述的細菌和代謝途徑外，是否還有其他地下甲醇來源也是未知數。承磊表示，這些問題值得深入探討。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08491-w