古菌中首次发现好氧烃类氧化代谢潜能：从厌氧混合营养到好氧烃降解的代谢进化

《Nature Communications》：Potential for aerobic hydrocarbon oxidation in archaea

本研究针对古菌是否具备好氧氧化烃类能力这一科学问题，由昆士兰科技大学研究人员主导，通过对Syntropharchaeia纲一个新目（Ca. ‘Aerarchaeales’）的六株宏基因组组装基因组（MAGs）进行比较基因组学和代谢重建分析。研究首次在古菌中鉴定出铜膜结合单加氧酶（CuMMO）超家族中的烃类单加氧酶（HMO）复合体，并揭示其通过水平基因转移从细菌获得，同时具备完整的电子传递链和细胞色素c氧化酶（complex IV），表明其具备好氧烃类氧化潜能。该发现突破了古菌仅能进行厌氧烃类氧化的传统认知，为理解全球碳循环和微生物代谢进化提供了新视角。论文发表于《Nature Communications》。

　　

在微生物的世界里，烃类化合物的降解长期以来被认为是细菌的“专利”，尤其是在有氧条件下。古菌，这群古老而独特的生命形式，虽然在厌氧环境下氧化甲烷和更复杂的烃类方面表现出色，例如通过烷基辅酶M还原酶（ACR）系统，但它们是否也能像细菌一样“呼吸”氧气来分解烃类，一直是个未解之谜。这种认知上的空白限制了我们对于全球碳循环，尤其是在油气渗漏、热泉等富含烃类和氧气波动环境中的微生物生态功能的全面理解。

最近，由昆士兰科技大学（QUT）微生物组研究中心的Andy O. Leu和Gene W. Tyson领导的研究团队，在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了一项突破性研究。他们通过对来自巴西铜矿、加州农业地下水、马略卡岛地下水含水层和黄石湖沉积物等不同环境的宏基因组进行深入挖掘，成功回收并分析了属于Syntropharchaeia纲一个全新目（暂命名为Ca. ‘Aerarchaeales’）的六个高质量宏基因组组装基因组（MAGs）。令人惊讶的是，在这些古菌基因组中，他们首次发现了编码烃类单加氧酶（HMO）的基因簇，该酶属于铜膜结合单加氧酶（CuMMO）超家族，是细菌好氧氧化短链烃类的关键酶。这一发现预示着古菌界同样存在好氧烃类氧化的代谢潜能，挑战了已有的认知边界。

为了回答古菌是否存在好氧烃类代谢能力这一关键问题，研究人员运用了多种生物信息学技术。核心方法包括对来自不同地理环境的宏基因组数据进行组装和分箱，以获得高质量的MAGs；通过比较基因组学和系统发育分析确定新发现古菌的分类学地位；利用蛋白质结构预测（如Colabfold）和比对分析候选HMO复合体的结构与功能保守性；以及通过基因内容祖先重建分析关键代谢途径的进化历史。

系统发育分析揭示一个新的古菌目

研究人员首先通过系统发育分析将获得的六个MAGs（CM-1, CG-1, CG-2, MW-1, YL-1, YL-2）归属于Syntropharchaeia纲下的一个新目，暂定为JACQPPO1（后命名为Ca. ‘Aerarchaeales’）。基因组树和16S rRNA基因树均支持其为一个独立的演化支系，与已知的厌氧甲烷氧化古菌（ANME-1）和Syntropharchaeaceae等亲缘关系较近。这些MAGs的基因组大小在2.24-2.57 Mbp之间，完整度较高（79-94%），污染率较低。进一步分析表明，该目内部可划分为两个科（f_CG-2和f_YL-1）和三个属，显示出一定的遗传多样性。

在新型Syntropharchaeia MAGs中发现 divergent HMO复合体

代谢重建分析带来了意想不到的发现：与其他厌氧烃类氧化的Syntropharchaeia不同，这些新型古菌（特别是g_CM-1属的成员，包括CM-1, CG-1, MW-1）并不编码典型的厌烃酶系统（如MCR或ACR），而是含有编码CuMMO复合体的基因。系统发育分析显示，这些古菌的CuMMO亚基（HmoA, HmoB, HmoC）与细菌的烃类单加氧酶（HMO）聚为一支，而非古菌的氨单加氧酶（AMO），表明它们的功能更可能类似于细菌中氧化短链烷烃（C₂-C₄）的HMO。

HMO复合体的结构特征

为了验证预测的HMO蛋白是否具有功能性的CuMMO结构特征，研究人员利用Colabfold对CM-1和CG-1的HMO复合体进行了3D结构预测。结果显示，预测的结构与细菌来源的CuMMO晶体结构（如Methylococcus capsulatus的pMMO）高度相似。更重要的是，结构模型中预测到了CuMMO标志性的两个铜离子结合位点：位于HmoB亚基的单核铜位点（Cu_B）和位于HmoC亚基的铜位点（Cu_C），且关键的组氨酸和天冬氨酸残基是保守的。这从结构上强有力地支持了这些古菌编码的CuMMO是具有功能活性的烃类单加氧酶。

科水平f_CG-2中好氧代谢的出现

除了关键的HMO复合体，代谢途径分析进一步支持了这些古菌的好氧化谢潜能。在f_CG-2科（包含g_CM-1和g_CG-2）的所有成员中，均鉴定出了编码好氧呼吸链关键组分的基因，包括细胞色素c氧化酶（Complex IV, CoxABCD）以及血红素A和O合酶（CtaA, CtaB）。这表明它们能够利用氧气进行呼吸。同时，这些基因组还编码了将烃类氧化产物（醇、醛）进一步代谢的完整途径，如醛/醇脱氢酶、醛脱氢酶、丙酸盐到琥珀酸的代谢途径以及β-氧化途径，意味着其能将烃类衍生物导入三羧酸（TCA）循环产生能量。

研究人员还重构了f_CG-2科成员的可能电子传递链，包括一个截短型的复合体I（可能氧化铁氧还蛋白）、复合体II（琥珀酸脱氢酶）、推测通过铁氧还蛋白：醌氧化还原酶或FixABCX复合体（电子转移黄素蛋白）还原醌库、复合体III（细胞色素bc₁复合体）以及复合体IV（细胞色素c氧化酶），最终驱动ATP合成。特别值得注意的是，在g_CM-1中鉴定出氧耐受型的[2Fe-2S]铁氧还蛋白和FixABCX复合体，这可能为HMO复合体提供还原力，代表了一种古菌中独特的CuMMO激活机制。

科水平f_YL-1中的厌氧混合营养

与好氧的f_CG-2科形成鲜明对比，另一个科f_YL-1（包含YL-1和YL-2）的代谢特征则指向厌氧混合营养。它们编码Wood-Ljungdahl途径（WLP）的基因，用于固定CO₂，但缺少完整的产甲烷途径关键酶（如Mtr和MCR）。同时，它们含有Group 3b和Group 4g [NiFe]氢化酶，暗示其能利用H₂作为电子供体进行化能自养生长。此外，它们也具有代谢长链脂肪酸、丙酸盐和醇类的潜力，表明其能利用有机碳源进行异养生长。然而，f_YL-1缺乏完整的TCA循环和好氧呼吸链，可能利用不完全的逆向TCA循环（rTCA）来合成细胞物质的前体。

Syntropharchaeia代谢的进化

为了揭示Ca. ‘Aerovita’好氧烃类氧化能力是如何进化而来的，研究人员通过基因树感知的祖先基因内容重建，追溯了关键代谢途径在Syntropharchaeia中的进化历史。分析表明，醛类代谢（如醛：铁氧还蛋白氧化还原酶AOR）、脂肪酸β-氧化和Wood-Ljungdahl途径等代谢能力存在于Syntropharchaeia的最后共同祖先中。而产甲烷途径（除MCR外）的基因也推测在祖先中存在，但在现存物种中多次丢失，反映了该谱系普遍存在产甲烷能力退化的趋势。烃类氧化能力则是通过多次水平基因转移（HGT）获得的：ANME-1支系获得了MCR用于厌氧甲烷氧化；其他支系（如Syntropharchaeum和Alkanophagales）则获得了ACR用于厌氧烷烃氧化。而在Ca. ‘Aerarchaeales’中，其共同祖先获得了醇脱氢酶（AdhE）等基因，使其能够利用醇类。随后，Ca. ‘Aerarchaeaceae’科通过HGT获得了完整的TCA循环和氧化磷酸化途径（包括细胞色素c氧化酶），为其向好氧代谢转变奠定了基础。最后，g_CM-1属（Ca. ‘Aerovita’）再次通过HGT从细菌获得了HMO复合体，从而具备了好氧烃类氧化的完整装备。这表明好氧烃类氧化在Ca. ‘Aerovita’中是相对近期进化出来的特征。

Ca. ‘Aerarchaeales’的全球分布

通过环境序列数据库（IMNGS, Sandpiper）的检索，研究发现Ca. ‘Aerarchaeales’成员分布广泛，存在于水生环境、淡水沉积物、地下水、土壤和海洋生态系统等多种生境中。值得注意的是，好氧的Ca. ‘Aerarchaeaceae’和厌氧的Ca. ‘Methanodefluviaceae’在样本中共现的情况很少（仅12个环境），暗示它们因氧气偏好不同而存在生态位分化。尽管分布广泛，但该目成员在微生物群落中的相对丰度普遍较低（<0.1%）。

研究结论与意义

本研究通过对Syntropharchaeia纲一个新目（Ca. ‘Aerarchaeales’）的基因组学分析，首次提出了古菌具备好氧烃类氧化代谢潜能的证据。研究结果表明，该目内的Ca. ‘Aerovita’属通过水平基因转移从细菌获得了烃类单加氧酶（HMO）复合体，并拥有支持好氧呼吸的完整电子传递链，从而可能实现了从祖先的厌氧混合营养代谢向好氧烃类氧化的代谢转型。

这项研究的发现具有多重重要意义。首先，它打破了“好氧烃类氧化是细菌独有功能”的传统观念，将这一重要的生物地球化学过程扩展到了古菌域，极大地拓宽了我们对微生物驱动碳循环多样性的认识。其次，研究揭示了水平基因转移在驱动微生物代谢创新，特别是在跨越好氧/厌氧边界的功能获得中所发挥的关键作用。Ca. ‘Aerarchaeales’内部不同科属代谢策略的差异（好氧 vs. 厌氧）为研究微生物对环境变化（如氧气水平）的适应与进化提供了绝佳模型。尽管目前该谱系在自然环境中的丰度较低，但其广泛的分布性表明它们可能在各种氧化性环境的烃类降解和碳转化中扮演着此前被忽视的角色。

未来，通过获取更多该谱系的基因组代表、尝试实验室培养以及开展原位活性监测，将有助于直接验证其好氧烃类氧化功能，并更精确地评估其在地球化学循环中的实际贡献。这项研究开启了一扇新的大门，提醒我们在探索微生物世界的代谢潜能时，需要更加开放地跨越域界的限制。