深入了解可以在产生甲烷的同时在氮气上生长的热微生物

马克斯普朗克海洋微生物研究所的科学家们成功地加强了一种微生物的培养，这种微生物可以在产生甲烷(CH4)和氨(NH3)的同时固定氮(N2)，并研究了其新陈代谢的令人兴奋的细节。

碳和氮是生命必不可少的元素。一些生物占据了它们两者循环的关键位置——其中包括热石营养甲烷嗜热球菌。复杂的名字背后隐藏着复杂的微生物。M.thermolithotrophicus是一种海洋喜热产甲烷菌。

它生活在海洋沉积物中，从沙质海岸和咸水沼泽到深海，温度最好在65°C左右。它能够通过使用氢气(H2)将氮气(N2)和二氧化碳(CO2)转化为氨气(NH3)和甲烷(CH4)。氨和甲烷这两种产品对于肥料和生物燃料生产中的生物技术应用都非常有趣。

来自马克斯普朗克海洋微生物学研究所的特里斯坦瓦格纳和尼维娜马斯拉奇现在已经设法在发酵罐中培养这种微生物——这是一项具有挑战性的工作。

“在固定N2的同时为这种微生物提供完美的繁殖条件是非常复杂的——高温、无氧并密切关注氢气和二氧化碳的水平，”Maslać说，她在博士期间进行了这项研究.D.项目。“但凭借一些独创性和毅力，我们设法让它们在我们的实验室中茁壮成长，并达到迄今为止报道的最高细胞密度。”

一旦培养物启动并运行，科学家们就能够详细研究微生物的生理学，然后通过观察微生物的新陈代谢如何适应N2固定来加深他们的研究。“与我们的同事ChandniSidhu和HannoTeeling密切合作，我们结合了生理学测试和差异转录组学，这使我们能够更深入地研究M.thermolithotrophicus的新陈代谢，”Maslać解释说。

像大黄蜂一样不可能

M.thermolithotrophicus的代谢能力令人费解：这些微生物利用产甲烷作用(一种起源于早期缺氧地球的新陈代谢)来获取细胞能量。与人类利用氧气将葡萄糖转化为二氧化碳相比，产甲烷菌从产甲烷中获取的能量非常有限。矛盾的是，固定氮需要大量的能量，这会使它们耗尽。

“它们有点像大黄蜂，理论上它们太重而无法飞行，但显然确实如此，”马克斯普朗克微生物代谢研究小组组长、资深作者特里斯坦瓦格纳说。“尽管存在这样的能量限制，但这些迷人的微生物甚至被发现是某些环境中的主要固氮菌。”

强大的固氮酶

生物体用来固氮的酶称为固氮酶。大多数常见的固氮酶需要钼来进行反应。钼固氮酶在作为植物根部共生体的细菌中得到了充分研究。它们的固氮酶可被钨酸盐抑制。

令人惊讶的是，不来梅的科学家发现M.thermolithotrophicus在N2上生长时不受钨酸盐的干扰。“我们的微生物只依赖钼来固定N2而不受钨酸盐的影响，这意味着金属采集系统的适应性，使其对不同的潜在应用更加稳健，”Maslać说。

重新思考氨生产

固氮，即从N2中获取氮，是将氮插入生物循环的主要过程。对于工业肥料生产，该过程通过Haber-Bosch过程进行，该过程在高温和高压下人工固定氮以用氢生产氨。它用于生产世界上大部分的氨，这是维持全球农业的重要肥料。

Haber-Bosch工艺对能源的要求极高：它消耗了世界能源输出的2%，同时释放了高达1.4%的全球碳排放量。因此，人们正在寻找更可持续的替代品来生产氨。

“M.thermolithotrophicus使用的过程表明，在微生物世界中仍然存在可以更有效地生产氨的解决方案，并且它们甚至可以与通过甲烷生产生物燃料相结合，”Wagner说。

“通过这项研究，我们了解到在N2固定条件下，产甲烷菌会牺牲其蛋白质生产以促进氮捕获，这是一种特别明智的能量重新分配策略，”Wagner总结道。“我们的下一步将是进入该过程的分子细节和所涉及的酶，以及研究生物体新陈代谢的其他部分。”