第一作者：Leonard Ernst
通讯作者：Leonard Ernst, Ilka B. Bischofs, Frank Keppler
通讯单位：Heidelberg University, Germany；Max-Planck-Institutefor Terrestrial Microbiology, Germany
DOI: 10.1038/s41586-022-04511-9
甲烷（CH4）是一种影响地球气候的高强度温室气体。大气中约70%的CH4排放源于生物源。长期以来，生物CH4的形成一直被认为是在严格的缺氧条件下发生在属于古生物领域的生物体中。然而，植物、真菌、藻类和蓝藻在有氧的情况下也可以产生CH4。尽管已知产甲烷菌在厌氧能量代谢过程中以酶促方式产生CH4，但对非产甲烷细胞产生CH4的要求和途径知之甚少。1. 本文证明了枯草芽孢杆菌和大肠杆菌形成CH4是由代谢活动产生的游离铁和活性氧（ROS）触发的，氧化应激增强了这些活性氧。2. ROS诱导的甲基自由基来自含有硫或氮甲基的有机化合物，是最终导致CH4生成的关键中间体。3. 结果表明，所有活细胞可能都有一个共同的CH4形成机制，该机制基于活性氧、铁和甲基供体之间的相互作用，为理解生化CH4的形成和循环开辟了新的视角。在没有酶的情况下，含甲基的有机硫化合物与三价铁(Fe3+)、三价铁还原剂抗坏血酸(ASC)和过氧化氢(H2O2)孵育时，在化学模型体系中会形成CH4。H2O2与还原的亚铁(Fe2+)发生Fenton反应，生成Fe3+、OH和·OH自由基，或氧-铁(IV)配合物([FeIV=O]2+)和水。·OH自由基和[FeIV=O]2+配合物促进亚砜氧化去甲基化生成甲基自由基(·CH3)。甲基自由基最终会转化成CH4，在较小程度上，还会转化成乙烷和/或甲醇。H2O2是细胞代谢的产物；铁是细胞必需的微量元素，在Fe3+和Fe2+之间进行氧化还原循环。芬顿化学在细胞内稳定地发生，在氧化应激和铁超载条件下，会对细胞的生存不利。许多自然产生的具有硫或氮键甲基的代谢物，包括蛋氨酸、二甲基亚砜(DMSO)或三甲胺(TMA)，都可以作为甲基给体来生成CH4。因此，作者认为，基于ROS、铁和甲基供体之间的相互作用，在所有活细胞中都存在芬顿驱动的CH4生成途径(图1)。
图1 生物系统中ROS驱动CH4形成的机制。
为了研究图1的假说，作者详细研究了模式生物枯草芽孢杆菌中CH4的形成。作者使用DMSO作为甲基供体，同位素标记实验表明，活性孢子从DMSO中形成CH4。相比之下，休眠和代谢不活跃的孢子不会形成可检测到的CH4。这些数据表明，代谢活动促进枯草芽孢杆菌(B.subtilis)形成CH4(图2a)。接下来，通过改变基质、铁和氧化剂的供应，研究了促进CH4形成的特定因素。添加次氯酸盐处理后，CH4生成增加了1.4倍，添加铁处理后增加17倍，联合处理(基质+铁+氧化剂)后增加了35倍，而死生物量生成的CH4很少(图2b)。与未处理对照组相比，HOCl的添加提高了ROS和CH4水平(图2c)，表明CH4的释放与内源性细胞氧化水平的相对差异有很好的相关性。
图2 枯草芽孢杆菌通过ROS驱动的途径形成CH4。
为了验证甲基前体化合物在体内真实的CH4形成，作者在应激和非应激枯草芽孢杆菌培养中进行了稳定同位素标记实验。作者首先研究了枯草芽孢杆菌是否可以利用甲基化的硫和氮化合物作为生成CH4的外源性基质。无论是添加13C标记的DMSO或DMS，都会导致13C含量明显超标的CH4的形成，这表明这些化合物的甲基基团被转化为CH4，而CH4在氧化应激条件下也得到了增强(图3 a)。内源性细胞CH4的形成可能涉及酶驱动的代谢途径，以形成甲基化的含硫或含氮前体化合物，这些化合物随后在基于Fenton化学的ROS驱动、酶不依赖途径中转化为CH4 (图3b)。作者研究了是否有其他因素可以增加体内CH4的形成。理论上，某些生物分子可以通过充当Fe3+还原剂或芬顿促进Fe2+螯合剂来促进Fenton驱动的CH4生成(图3c)。作者添加NADH和ATP后发现，CH4水平的数量级发生了增加(图3d)。
图3 细胞中CH4形成的机制。
最后作者研究了来自生命所有领域的细胞，这些细胞以前并不会释放CH4 (图4a)。盐生盐杆菌DSM 670、酵母酿酒酵母S288C和霉菌黑曲霉DSM 821、人HEK293T细胞等生物体中，在DMSO存在下形成CH4，在添加HOCl诱导的氧化应激下，CH4水平增加约1.2至3.2倍（图4b）。
图4 所有生命形式中常见非产甲烷生物的CH4形成。
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04511-9
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