地球深處，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，產甲烷古菌備受人類關注，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？1月29日，《自然》雜志發表了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的研究成果。他們發現了古菌和它們親密的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。
厭氧細菌和產甲烷古菌的第四種共生模式——種間甲醇傳遞。中國農科院沼氣所供圖
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。“這篇論文加深了我們對代謝相互作用和微生物生態學的理解?！彼f。
《自然》高級編輯George Caputa則表示，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“假酒”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，并且主要依賴三種模式：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。
而廣泛分布于地球多種生態環境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，其背后機制和上述三種都不一樣。“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來參與地下碳循環，是非常值得期待一個問題。”承磊對此充滿了好奇。
他所在的沼氣所厭氧微生物實驗室，已有40余年歷史，具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科物種，由于分離自勝利油田、能在65℃高溫下存活而被命名為“勝利甲烷嗜熱球菌（Methermicoccus shengliensis）”。它對工作人員“投喂”的甲醇表現出強烈依賴，并能產生甲烷?！斑@是生長溫度最高的甲基營養型產甲烷古菌?！背欣谡f。
“當時我們提出一個假設——地下細菌在分解有機物的時候，可能也會產生電子，并傳遞給甲基營養型產甲烷古菌”。承磊說。
2016年，承磊安排團隊成員啟動了這個研究，但是能用于產電的細菌主要是中溫菌。所以，第一步是需要尋找新的高溫產電細菌。
“幸運的是，我們在那個時候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，初步解決了厭氧微生物高通量分離篩選的技術瓶頸?！背欣谡f，他們做了大量的共培養試驗，在不斷的失敗中堅持。
論文第一作者、沼氣所副研究員黃艷在那時加入了承磊團隊，并接手了這個課題。經過2年努力，終于建立了細菌和古菌共培養產甲烷體系。
其中的細菌也來自承磊團隊前期從地下油藏中分離的新科物種，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（Zhaonella formicivorans）。
2018年，承磊參加日本微生物生態學年會。他和時任日本產業技術研究院（AIST）研究員Masaru K. Nobu交流了該項研究的進展和想法，并達成合作共識——通過聯合培養博士研究生的方式，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年到日本讀博開始，我們想盡各種辦法去驗證古菌和細菌是通過種間直接電子轉移的方式來產生甲烷的?！秉S艷說，她經常在回到住所后，安靜下來的腦子里冒出各種念頭，第二天再到實驗室里一個個去嘗試，簡直是“花式”驗證。
然而這種情況持續了一年多，實驗卻毫無進展?！拔疫€挺發愁的，一度覺得這個課題要掛掉。”黃艷說。
一天夜里，她又回想起白天的實驗，在厭氧菌里添加了導電材料，但是并沒有像文獻報道的那樣，如果古菌和細菌通過種間直接電子轉移方式產生甲烷，應該可以看到產甲烷速率增加的趨勢。
一個模糊念頭一閃而過：“難道它們之間不是依靠直接電子轉移方式？”這個想法在她腦子里越來越清晰。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，古菌依然可以正常的產出甲烷。
黃艷猜測，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。本來令人沮喪的課題，突然之間可能會得到顛覆性的成果。她興奮地向導師、日本產業技術研究院上級主任研究員Souichiro Kato提出她的新猜想。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，甲酸鹽是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，這涉及到互營代謝作用。”黃艷說，于是研究團隊開始嘗試通過培養、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?！背欣谡f。
黃艷發現，當上述細菌和古菌共同培養時，嗜甲酸趙氏桿菌對甲酸鹽的降解直接與產甲烷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了產甲烷古菌，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?！?span style="display:none">cs2流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
應用前景：從“地下沼氣”到碳中和
但是，嗜甲酸趙氏桿菌和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。背后的代謝機制依然是一個“暗箱”。
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?！暗谖覀兊膶嶒炛袥]有檢測到通常負責這個代謝過程的基因發揮作用?！?span style="display:none">cs2流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
這個問題使研究一度陷入僵局。經過反復推敲和論證，他們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”產生的。和傳統認知不盡相同，甚至有一點“南轅北轍”——整個代謝過程先進行還原反應，再進行氧化?！斑@個途徑太神奇了！”黃艷說。
經過幾個月的時間，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。而“甘氨酸—絲氨酸循環”與三羧酸循環有許多共同特征。三羧酸循環是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。
“就好像解數學試卷的壓軸題，花了兩個小時用各種方法去求解都解不出來，但是找到正確方法后兩分鐘就解出來了。我們當時都非常興奮，也終于松了口氣?！秉S艷說。
甲醇生成細菌和甲醇利用產甲烷古菌合作產甲烷。中國農科院沼氣所供圖
“據我們所知，這種代謝過程是首個已知的以甲醇作為主要代謝產物的生物反應。”承磊說，從能源角度來看，這種相互作用可能為提高或調控天然氣生產提供新的思路。鑒于甲烷是一種強效溫室氣體，對地下碳循環的更深入理解，也有助于更精確地預測全球甲烷排放將如何影響氣候變化。
2022年初，團隊首次向《自然》投稿，第一輪審稿專家給了很高的評價，但是需要補充試驗數據。這期間黃艷經歷了博士答辯，Nobu去了日本國立海洋研究開發機構工作。再加上疫情影響，采集油藏樣品、訂購標記試劑、重新開展試驗……前后又折騰了2年時間。論文最終在2024年12月被正式接收。
“論文從投遞到接收花了三年時間，多少會影響青年科學家的項目申報和晉升，不過在折騰補充試驗的過程中，他們有了新的發現。”沼氣所所長孟海波說，“保持一顆平常心和好奇心，不輕言放棄，這樣的磨練對青年人來說，也是成長的必然經歷?！?span style="display:none">cs2流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
與其他互營代謝模式相比，甲醇轉移對碳通量的相對貢獻也仍未明確。除了此處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。承磊說，這些問題值得繼續探討。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08491-w
研究簡報：https://doi.org/10.1038/d41586-025-00199-9
本文鏈接：古菌的第四種共生機制：破解地球碳循環“暗箱”http://m.lensthegame.com/show-11-17277-0.html
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