把毒药变成食物

【字体: 时间:2023年01月21日 来源:Nature Chemical Biology

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  马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家们揭示了一种产生甲烷的微生物是如何在有毒的亚硫酸盐上生长而不中毒的。

  
   

Illustration of Fsr’s catalytic site where sulfite gets reduced to sulfide.    

Fsr催化位点的插图,亚硫酸盐被还原为硫化物。与亚硫酸盐结合并转化的硅红素(粉红色)嵌在蛋白质的空腔(灰色表面)中,该空腔可被溶剂接触。这样,亚硫酸盐可以很容易地进入蛋白质,而产生的硫化物可以离开蛋白质。    


产甲烷菌是一种在环境中氧气很少或没有氧气时产生甲烷的微生物。它们的甲烷生产——例如反刍动物消化道中的甲烷生产——与全球碳循环有关,因为甲烷是一种非常有效的温室气体,但也可以用作为我们的房屋供暖的能源。

有害的增长基础  

这篇发表在《Nature Chemical Biology》文章的主角是两种海洋热产甲烷菌:Methanothermococcus thermolithotrophicus(生活在65°C左右的地热加热沉积物中)和Methanocaldococcus jannaschii(偏好85°C左右的深海火山)。它们通过产生甲烷来获得细胞能量,并以硫化物的形式获得生长所需的硫,这存在于它们的环境中。虽然硫化物对大多数生物来说是一种毒药,但对产甲烷菌来说却是必不可少的,它们甚至可以耐受高浓度的硫化物。然而,它们的致命弱点是有毒且易反应的硫化合物亚硫酸盐,它会破坏生成甲烷所需的酶。在他们的环境中,这两种被研究的生物偶尔会暴露在亚硫酸盐中,例如,当氧气进入并与还原的硫化物反应时。它的部分氧化导致亚硫酸盐的形成,因此产甲烷菌需要保护自己。但是他们是怎么做到的呢?

这个过程的分子快照  

来自德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的Marion Jespersen和Tristan Wagner等人现在提供了酶解毒亚硫酸盐的简要情况。这种蝴蝶形状的酶被称为F420依赖亚硫酸盐还原酶或Fsr。它能够将亚硫酸盐转化为硫化物,这是产甲烷菌生长所需的一种安全的硫来源。在目前的研究中,Jespersen和她的同事描述了这种酶的工作原理。Jespersen解释说:“这种酶捕获亚硫酸盐并直接将其还原为硫化物,硫化物可以被合并到氨基酸中。因此,产甲烷菌不会中毒,甚至使用该产品作为硫源。它们把毒药变成食物!”

这听起来很简单。但事实上,Jespersen和她的同事们发现他们正在处理一个有趣而复杂的重叠。“亚硫酸盐的还原有两种方式:异化和同化”,Jespersen解释道。“被研究的生物使用一种酶,这种酶的结构类似于异类酶,但它使用一种同化机制。可以说,它结合了两方面的优点,至少在生活条件方面是这样的。”

据推测,来自异化途径和同化途径的酶都是从一个共同的祖先进化而来的。“亚硫酸盐还原酶是对全球硫和碳循环有重大影响的古老酶,”马克斯·普朗克研究组微生物代谢负责人Tristan Wagner补充说。“我们的酶,Fsr,可能是这种古老原始酶的快照,是进化过程中令人兴奋的回顾。”

展望生物技术应用  

Fsr不仅揭示了进化的含义,还让我们更好地了解海洋微生物的迷人世界。只能在亚硫酸盐上生长的产甲烷菌绕过了使用危险的硫化物的需要,硫化物是它们通常的硫基质。“这为更安全的生物技术应用来研究这些重要的微生物提供了机会。最佳的解决方案是找到一种能减少硫酸盐的甲烷菌,这种菌价格便宜,储量丰富,而且是一种完全安全的硫源。”Wagner说。事实上,这种甲烷原已经存在了Methanothermococcus thermolithotrophicus。研究人员假设Fsr协调了硫酸盐还原途径的最后一个反应,因为它的中间产物之一是亚硫酸盐。“我们的下一个挑战是了解它如何将硫酸盐转化为亚硫酸盐,以全面了解这些神奇微生物的能力。”

Structures of the sulfite detoxifying F420-dependent enzyme from Methanococcales
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