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微生物海洋学实验室在低能量生命过程研究中取得突破进展

主要完成人: 发表日期:2013-12-10 点击数:1318

近日,微生物海洋学实验室在国际微生物生态学会会刊The ISME Journal上发表了研究文章《Methanotrophic archaea possessing diverging methane oxidizing and electron transporting pathways》,对厌氧甲烷氧化菌的多种电子传递途径进行阐述,证实了厌氧甲烷氧化具有遵循产甲烷过程的逆反应的生物学基础。

厌氧甲烷氧化过程(AOM, anaerobic oxidation of methane)每年消耗全球海洋中甲烷年产量的85%,是控制海洋中甲烷释放的关键步骤,直接影响着全球的气候变化。同时,AOM过程中标准吉布斯自由能理论计算值只有-16.6kJ/mol CH4,接近生物可利用的能量极限,是一个典型的深海极端环境中的低能量生物过程。在这一过程中起关键作用的微生物是一类暂命名为厌氧甲烷氧化菌的古菌(ANME, anaerobic methanotrophic archaea)。ANME生长缓慢,代增时间长达几个月,目前全世界尚没有实验室能获得ANME的纯培养。微生物海洋学实验室采用自主设计研发的深海冷泉模拟及低温高压微生物培养系统(目前已知的唯一一套正在运转的长周期气液混合高压流动培养系统)对海洋泥火山环境样本进行了长达三年的富集培养,得到了ANME-2的富集物。通过进一步的宏基因组、宏转录组、单细胞团分选和基因组测序分析发现甲烷产生途径中的所有关键7步酶的基因在ANME-2体内都存在并表达。同时,对ANME-2的能量代谢途径分析发现ANME-2细胞内不存在经典的氢酶,但是有Fpo,Hdr,Cytochrome C,Rnf等多种电子传递途径关键酶的基因表达,表明其能量代谢的多样性。该项研究从化学反应、基因组学和转录组学等多角度同时证实了厌氧甲烷氧化是甲烷产生的逆反应,并证明ANME-2进化出多样化的能量代谢机制以适应低能量环境并快速应对环境变化。

本工作将极大地推动对AOM这一海洋碳循环中关键生物过程的研究,对深入理解低能量环境中的生物过程以及生物对低能量环境的适应性机制做出贡献;同时也为生命起源与早期地球环境演化研究提供了现代生物学依据。上海交通大学微生物海洋学实验室在该研究项目中综合利用了生物工程和分子生物学技术,联合了比利时根特大学、德国不莱梅大学和复旦大学等国际研究小组协同攻关。该研究得到了国家重点基础研究发展计划项目(2011CB808800 ),国家自然科学基金项目(91228201,31290232),以及“863”项目(2012AA092103-2)的支持。

文章链接:http://www.nature.com/doifinder/10.1038/ismej.2013.212