Aerobic H2 respiration enhances metabolic flexibility of methanotrophic bacteria

好氧氫氣呼吸增強(qiáng)甲烷氧化細(xì)菌的代謝靈活性

來(lái)源 bioRxiv preprint first posted online September 16, 2016

《bioRxiv預(yù)印本》，2016年9月16日在線首次發(fā)布

 

摘要

這篇論文摘要指出，甲烷氧化細(xì)菌是土壤中重要的甲烷生物過(guò)濾器，但傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為它們是專(zhuān)性甲基營(yíng)養(yǎng)菌，只代謝單碳化合物。本研究通過(guò)研究疣微菌門(mén)的一種甲烷氧化細(xì)菌Methylacidiphilum sp. RTK17.1，發(fā)現(xiàn)它能氧化氫氣，并在好氧條件下進(jìn)行氫氣呼吸。氫氣氧化雖不能作為唯一電子源支持生長(zhǎng)，但能顯著增強(qiáng)在氧氣充足和氧氣限制條件下的混合營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)產(chǎn)量，并在甲烷饑餓時(shí)維持持久性。研究表明，氫氣氧化是甲烷氧化細(xì)菌在化學(xué)限制環(huán)境中保持能量狀態(tài)的一種普遍策略。

 

研究目的

本研究旨在探究氫氣酶在甲烷氧化細(xì)菌中的生理作用，特別是驗(yàn)證氫氣氧化是否能增強(qiáng)甲烷氧化細(xì)菌的代謝靈活性，幫助其在甲烷限制或氧氣波動(dòng)的環(huán)境中生存和生長(zhǎng)。目標(biāo)包括確定氫氣氧化對(duì)生長(zhǎng)和持久性的貢獻(xiàn)，并評(píng)估其在自然生態(tài)系統(tǒng)中的普遍性。

 

研究思路

研究思路包括從新西蘭Rotokawa地?zé)嵬寥肋M(jìn)行環(huán)境采樣，通過(guò)分子調(diào)查（如16S rRNA測(cè)序和qPCR）分析微生物群落和功能基因豐度。分離并鑒定一株耐熱嗜酸甲烷氧化細(xì)菌Methylacidiphilum sp. RTK17.1，進(jìn)行基因組測(cè)序以識(shí)別氫氣酶基因。通過(guò)生理實(shí)驗(yàn)，如恒化器培養(yǎng)、批量培養(yǎng)和實(shí)時(shí)氫氣氧化測(cè)量，評(píng)估氫氣氧化對(duì)生長(zhǎng)的影響。使用統(tǒng)計(jì)和通徑分析關(guān)聯(lián)環(huán)境因素與微生物活動(dòng)。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 土壤中甲烷和氫氣濃度剖面數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖1。研究意義在于顯示在土壤表層（0-20厘米）甲烷和氫氣濃度急劇下降，表明高氧化活性，與疣微菌門(mén)甲烷氧化細(xì)菌的豐度相關(guān)，證實(shí)這些細(xì)菌在自然環(huán)境中同時(shí)氧化甲烷和氫氣。

 

2. 氫氣氧化速率數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense氫微傳感器測(cè)量全細(xì)胞氫氣氧化速率，顯示速率與細(xì)胞密度成正比，并可低至55 ppmv濃度。數(shù)據(jù)來(lái)自圖2a和圖S3。研究意義在于首次證實(shí)疣微菌門(mén)甲烷氧化細(xì)菌具有氫氣氧化能力，并驗(yàn)證其高親和力。

 

 

3. 氫氣酶活性和定位數(shù)據(jù)：通過(guò)比色法測(cè)量細(xì)胞裂解物，顯示膜結(jié)合Group 1d氫氣酶活性高于胞質(zhì)部分，數(shù)據(jù)來(lái)自圖2b。研究意義在于確認(rèn)氫氣氧化與好氧呼吸鏈耦合，通過(guò)醌載體產(chǎn)生能量。

4. 生長(zhǎng)產(chǎn)量數(shù)據(jù)：在恒化器實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量添加氫氣對(duì)生長(zhǎng)產(chǎn)量的影響，顯示在氧氣限制條件下氫氣添加使生長(zhǎng)產(chǎn)量顯著增加。數(shù)據(jù)來(lái)自表1。研究意義在于證明氫氣氧化能增強(qiáng)混合營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，尤其在缺氧環(huán)境中提高能量效率。

 

5. 基因表達(dá)數(shù)據(jù)：通過(guò)RT-PCR證實(shí)Group 1d氫氣酶在生長(zhǎng)過(guò)程中組成型表達(dá)，數(shù)據(jù)來(lái)自圖S4。研究意義在于支持生理觀察，顯示氫氣代謝的遺傳基礎(chǔ)。

 

 

結(jié)論

1. 甲烷氧化細(xì)菌能通過(guò)氧化氫氣增強(qiáng)代謝靈活性，支持在甲烷限制環(huán)境中的生存和生長(zhǎng)。

2. 氫氣氧化在氧氣限制條件下更為顯著，表明這是一種適應(yīng)動(dòng)態(tài)氧化還原界面的策略。

3. 基因組分析顯示所有已測(cè)序的甲烷氧化細(xì)菌都編碼氫氣酶，提示氫氣氧化是一種普遍機(jī)制，可能影響全球甲烷和氫氣循環(huán)。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的氫微傳感器進(jìn)行氫氣氧化測(cè)量，這一技術(shù)具有重要的研究意義。首先，該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、實(shí)時(shí)的氫氣濃度監(jiān)測(cè)，靈敏度高達(dá)55 ppmv，使得研究人員能夠精確量化細(xì)菌在低環(huán)境濃度下的氧化速率，這對(duì)于理解微生物在自然條件下的代謝活動(dòng)至關(guān)重要。其次，微傳感器的小型化設(shè)計(jì)（尖端直徑25微米）允許無(wú)損插入細(xì)胞懸浮液，避免了傳統(tǒng)方法可能引起的擾動(dòng)，從而獲得更真實(shí)的生理數(shù)據(jù)。此外，實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)（如圖2a和2c）揭示了氫氣氧化與質(zhì)子動(dòng)力勢(shì)的耦合關(guān)系，通過(guò)使用離子載體（如尼日利亞菌素和纈氨霉素）實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了氫氣酶對(duì)化學(xué)滲透梯度的敏感性。這些高精度數(shù)據(jù)不僅直接支持了氫氣氧化是好氧呼吸過(guò)程的結(jié)論，還幫助構(gòu)建了代謝模型（如圖3），闡明氫氣如何整合到甲烷氧化途徑中。總之，Unisense電極的應(yīng)用提供了關(guān)鍵證據(jù)，推動(dòng)了從“專(zhuān)性代謝”到“混合營(yíng)養(yǎng)”范式的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了對(duì)微生物環(huán)境適應(yīng)性的理解。