產甲烷菌是一種在環境中氧氣很少或沒有氧氣時產生甲烷的微生物。它們的甲烷生產——例如反芻動物消化道中的甲烷生產——與全球碳循環有關，因為甲烷是一種非常有效的溫室氣體，但也可以用作為我們的房屋供暖的能源。
有害的增長基礎
這篇發表在《Nature Chemical Biology》文章的主角是兩種海洋熱產甲烷菌:Methanothermococcus thermolithotrophicus(生活在65°C左右的地熱加熱沉積物中)和Methanocaldococcus jannaschii(偏好85°C左右的深海火山)。它們通過產生甲烷來獲得細胞能量，并以硫化物的形式獲得生長所需的硫，這存在于它們的環境中。雖然硫化物對大多數生物來說是一種毒藥，但對產甲烷菌來說卻是必不可少的，它們甚至可以耐受高濃度的硫化物。然而，它們的致命弱點是有毒且易反應的硫化合物亞硫酸鹽，它會破壞生成甲烷所需的酶。在他們的環境中，這兩種被研究的生物偶爾會暴露在亞硫酸鹽中，例如，當氧氣進入并與還原的硫化物反應時。它的部分氧化導致亞硫酸鹽的形成，因此產甲烷菌需要保護自己。但是他們是怎么做到的呢?
來自德國不來梅馬克斯·普朗克海洋微生物研究所的Marion Jespersen和Tristan Wagner等人現在提供了酶解毒亞硫酸鹽的簡要情況。這種蝴蝶形狀的酶被稱為F420依賴亞硫酸鹽還原酶或Fsr。它能夠將亞硫酸鹽轉化為硫化物，這是產甲烷菌生長所需的一種安全的硫來源。在目前的研究中，Jespersen和她的同事描述了這種酶的工作原理。Jespersen解釋說:“這種酶捕獲亞硫酸鹽并直接將其還原為硫化物，硫化物可以被合并到氨基酸中。因此，產甲烷菌不會中毒，甚至使用該產品作為硫源。它們把毒藥變成食物!”
這聽起來很簡單。但事實上，Jespersen和她的同事們發現他們正在處理一個有趣而復雜的重疊。“亞硫酸鹽的還原有兩種方式:異化和同化”，Jespersen解釋道。“被研究的生物使用一種酶，這種酶的結構類似于異類酶，但它使用一種同化機制。可以說，它結合了兩方面的優點，至少在生活條件方面是這樣的。”
據推測，來自異化途徑和同化途徑的酶都是從一個共同的祖先進化而來的。“亞硫酸鹽還原酶是對全球硫和碳循環有重大影響的古老酶，”馬克斯·普朗克研究組微生物代謝負責人Tristan Wagner補充說。“我們的酶，Fsr，可能是這種古老原始酶的快照，是進化過程中令人興奮的回顧。”
展望生物技術應用
Fsr不僅揭示了進化的含義，還讓我們更好地了解海洋微生物的迷人世界。只能在亞硫酸鹽上生長的產甲烷菌繞過了使用危險的硫化物的需要，硫化物是它們通常的硫基質。“這為更安全的生物技術應用來研究這些重要的微生物提供了機會。最佳的解決方案是找到一種能減少硫酸鹽的甲烷菌，這種菌價格便宜，儲量豐富，而且是一種完全安全的硫源。”Wagner說。事實上，這種甲烷原已經存在了Methanothermococcus thermolithotrophicus。研究人員假設Fsr協調了硫酸鹽還原途徑的最后一個反應，因為它的中間產物之一是亞硫酸鹽。“我們的下一個挑戰是了解它如何將硫酸鹽轉化為亞硫酸鹽，以全面了解這些神奇微生物的能力。”