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《自然》顛覆性發現:所有生命 都是甲烷生產者

時間:2022-03-12 08:55:30 來源: 藥明康德


進入21世紀后,人們逐漸意識到,生物成因的甲烷形成過程遠比這個故事復雜。能產生甲烷的不止是那些產甲烷古菌,反應條件也不限于缺氧環境。從藻類、藍細菌到多細胞的真菌、植物,越來越多的證據表明,多種需氧生物都能產生甲烷。但這些生物究竟是如何產甲烷的,卻始終是個未知數。

在本周《自然》雜志的一項最新研究中,由德國海德堡大學領導的團隊提出了一個顛覆性的觀點: 包括人類在內,所有生物都是甲烷的生產者。這個結論不僅讓我們重新認識甲烷在生命過程中的作用,還將為多個領域帶來全新見解。

早在8年前,這支團隊就在一篇《自然·通訊》論文中,描述了一個通過非生物途徑三步生成甲烷的過程。簡單地說,這個反應不需要酶參與,且主要原料只有3類:活性氧簇(ROS)、自由鐵以及合適的甲基供體。

整個反應過程也不復雜:首先,ROS(該反應使用的是過氧化氫)和二價鐵離子反應,產生高度還原的羥基自由基(·OH);隨后,羥基自由基與甲基供體反應,形成甲基自由基(·CH3);最后,甲基自由基和氫自由基(·H)結合,產生甲烷分子。

在實驗室中揭示了這個甲烷生成過程之后,研究團隊產生了一個大膽而有趣的想法。在生命體內中,這些原料并不罕見(例如,細胞中也在持續產生、釋放包括過氧化氫在內的ROS,而自由鐵和甲基供體也是常見的代謝產物),并且細胞環境也與上述實驗室反應條件相近。那么, 這個產甲烷的過程同樣可以在生物體內發生嗎?

▲這個無需酶參與而產生甲烷的反應,在細胞內的流程示意 (圖片來源:參考資料[2])

在最新研究中,研究團隊首先利用枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)來檢驗這個猜想。這種細菌的生命周期包含了兩種狀態:休眠期和生殖生長期,因此可以用作對照,研究新陳代謝過程能否生成甲烷。

實驗結果十分清晰:在含有甲基供體二甲基亞砜(DMSO)的培養基中,不需要任何酶的參與, 處于生殖生長期、代謝旺盛的枯草芽孢桿菌能持續生成甲烷,而休眠期的細菌則不會生產甲烷。

隨后的控制變量實驗顯示,這些細菌可獲取的甲基供體、自由體的含量,對于最終的甲烷產量也起到了明顯的調控作用。尤其值得注意的是,除了更強的新陳代謝,出現氧化應激時,即ROS過剩導致細胞無法維持氧化還原平衡,細菌的甲烷產量也隨之上漲。

進一步的實驗證實,能通過這個過程產生甲烷的不僅有枯草芽孢桿菌。從之前被認為不產甲烷的其他古菌,到酵母、黏菌等真菌;從代表植物界的葡萄,再到人源的細胞系(人胚腎細胞),都能在DMSO的培養基中生成甲烷,并且在氧化應激條件下甲烷產量更高。因此研究認為, 或許所有進行新陳代謝的生命體,都能通過這個普適的過程,在細胞內持續產生甲烷。

▲在實驗室中,不同生物細胞產生甲烷的濃度 (圖片來源:參考資料[1])

如果這個猜想最終得到證實,那么一系列生命活動都有望得到新的解釋。在生物體內,新陳代謝產生的ROS大量堆積時,可能對DNA、RNA和蛋白質等重要分子造成損傷。而這個新發現的過程,或許是消除過量ROS的一種途徑。

論文通訊作者之一,海德堡大學的Frank Keppler教授表示:“我們的發現將成為理解需氧甲烷生成的里程碑,這個通用機制還將解釋之前在植物身上觀察到的現象?!?/p>

值得注意的是,在之前的研究中,即使是對于同一種生物,不同個體的甲烷產量也可能有幾個數量級的差異。而最新研究揭示的機制,或許能解釋這個現象——那些極高的甲烷產量,可能是因為個體正進行著活躍的代謝活動。

可以說,這個令人意外的發現在廣闊的領域都具有重大意義。醫學領域,細胞中和通過組織擴散的過量甲烷可以指示細胞壓力、氧化還原不平衡等?!昂粑屑淄榈牟▌幽芊从逞趸瘧こ潭龋蚴侵赶蛎庖呦到y?!?Keppler教授說。而在氣候領域,通過這個過程產生的甲烷是否會對全球氣候產生影響,同樣尚不清晰。但對我們來說,足夠清晰的是,這個關于常見氣體的發現將為我們理解自身以及整個世界,打開一扇全新的窗口。


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