分子伴侣介导的超高温堆肥微生物热耐受机制：蛋白质重塑与群落功能协同

《Environmental Science and Ecotechnology》：Chaperone-Mediated Thermotolerance in Hyperthermophilic Composting: Molecular-Level Protein Remodeling of Microbial Communities

本研究针对超高温堆肥(HC)中微生物热耐受机制不清的问题，通过宏基因组学和分子动力学模拟，揭示了高温驱动下微生物群落功能演替与分子伴侣(DNAK/DNAJ/GroEL)介导的蛋白质修复协同机制，阐明了嗜热菌关键酶的结构稳定性及其在有机废物高效转化中的重要作用，为优化堆肥工艺和热稳定微生物应用提供了理论依据。

　　

在全球面临严峻环境挑战的背景下，有机固体废物的资源化处理已成为可持续发展的重要议题。传统堆肥技术虽然能够将有机废物转化为有价值的腐殖质，但存在处理周期长、效率低、病原体去除不彻底等问题。特别是当堆体温度超过80°C时，常规微生物难以存活，而超高温堆肥(HC)技术却能在此极端环境下实现高效降解，这背后隐藏着微生物群落惊人的适应机制。然而，目前研究多集中于实验室条件下单一菌株的耐热特性，对于真实堆肥环境中微生物群落如何通过功能分化和协同作用来应对极端高温，尤其是分子水平的蛋白质稳定性维持机制，仍知之甚少。

为了深入探索超高温堆肥中微生物的生存奥秘，由东北大学过程装备与环境工程研究所的徐丽、王友照、马峰等研究人员组成的团队，在《Environmental Science and Ecotechnology》上发表了一项开创性研究。该研究通过多维度的实验分析，系统揭示了超高温堆肥过程中微生物群落的功能演替规律及其分子水平的适应策略。

研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用配备智能监控系统的1 m³堆肥反应器进行实地堆肥实验，持续监测温度、水分等理化参数动态变化；其次，在不同堆肥阶段（初始期IP、高温期TP、成熟期MP）采集样本，进行宏基因组测序，分析微生物群落结构和功能基因表达；第三，采用分子动力学(MD)模拟，在360 K高温下研究嗜热菌Truepera radiovictrix关键酶（DNA聚合酶A、ATP合成酶α亚基、CTP合成酶）的构象稳定性；最后，运用HADDOCK软件进行分子伴侣（DNAJ、DNAK、GroEL）与靶蛋白的分子对接，解析其相互作用机制。

3.1. 堆肥理化性质及微生物群落代谢功能演替

研究发现，超高温堆肥温度在24小时内迅速升至87°C，水分含量从55%降至37%，总有机碳(TOC)降解率在高温期达到3.7%/天，总氮(TN)保留率增加17.2%，腐殖化指数(HI)升至2.1，表明HC能有效加速腐殖化并提高有机质转化效率。宏基因组分析显示，微生物群落呈现明显的动态演替：初始期以拟杆菌门(Bacteroidota)和芽孢杆菌门(Bacillota)为主；高温期芽孢杆菌门相对丰度显著上升至71.1%，典型嗜热菌属(如Bacillus、Truepera、Thermobifida)快速富集；成熟期微生物多样性恢复，奇异菌门(Deinococcota)等极端嗜热菌丰度增加。功能基因分析表明，高温期和成熟期与翻译(J)、转录(K)、氨基酸代谢(E)及细胞壁合成(M)相关的功能显著上调，而可移动元件(X)功能被抑制，以维持基因组稳定性。

3.2. 不同阶段微生物基因表达及功能贡献差异

差异表达分析显示，高温期相较于初始期，共有3510条KEGG通路上调，其中103条显著上调，主要涉及分子伴侣系统、HSP70、groEL等蛋白质折叠及DNA复制修复通路。热应激相关基因（如dnaK、dnaJ、groEL）在高温期显著上调，成熟期表达趋于稳定。Spearman相关分析表明，Truepera、Thermobifida、Bacillus等嗜热菌与热休克基因呈显著正相关。功能贡献度分析进一步揭示，这些嗜热菌在ABC转运体、氨基酸生物合成、群体感应等代谢途径中贡献突出，体现了其高效的环境适应和代谢调控能力。

3.3. 热力学驱动的功能网络组装与微生物协作机制

共现网络分析显示，温度与88.2%的KEGG节点和92.0%的COG节点呈正相关，形成以代谢、环境响应、遗传信息处理为核心的功能模块网络。模块间存在显著协同关系，如代谢与环境响应间60.6%的相互作用为正相关。温度通过直接效应（路径系数0.714）和间接效应（如激活环境响应0.848、遗传信息处理0.919）共同驱动嗜热菌增殖，而热休克蛋白(HSP)功能基因作为关键中介节点，直接促进嗜热菌丰度（0.522）并缓解代谢负担（0.318）。

3.4. 影响嗜热菌热稳定性的潜在机制

偏最小二乘路径模型(PLS-PM)表明，温度、功能模块和HSP基因共同解释了嗜热菌丰度97.4%的变异。Boruta随机森林特征重要性分析确定错配修复、HSP90A、HSP20等分子伴侣及翻译起始(COG K)、氨基酸代谢(COG E)等COG功能为热耐受性的关键预测指标。Mantel检验进一步证实，高温下微生物资源分配向蛋白质质量控制和核心代谢倾斜，以维持功能稳定性。

3.5. 嗜热菌关键酶热稳定性机制的分子动力学洞察

分子动力学模拟发现，Truepera radiovictrix的DNA聚合酶A(DNApolA)和ATP合成酶α亚基(ATPase_α)在360 K高温下均表现出较高的结构刚性，RMSD（均方根偏差）稳定，氢键网络牢固，疏水表面积(SASA)减少，半径(Rg)紧凑，表明其通过紧凑折叠、稳定氢键及疏水核心屏蔽实现热稳定性。而CTP合成酶(CTPase)疏水区域暴露增加，提示其可能更需要分子伴侣辅助修复。

3.6. 热应激下分子伴侣介导的蛋白质修复机制

分子对接结果显示，DNAJ通过离子对（如Arg99-Glu406）和疏水相互作用识别CTPase的解折叠区域；DNAK利用ATP水解循环及氢键网络（如Arg415-Tyr45/Ser16）稳定疏水区域；GroEL则通过内部空腔的静电作用（如Lys42-Arg468）和疏水接触（如Met548、Tyr475）为靶蛋白提供折叠微环境，三者协同完成对 misfolded protein（错误折叠蛋白质）的识别、稳定和再折叠。

该研究结论部分强调，超高温堆肥中微生物通过群落演替、功能模块协同及分子伴侣介导的蛋白质修复三级机制实现热耐受。温度是核心驱动因素，直接刺激微生物增殖，并间接通过激活环境响应、遗传信息处理等模块及HSP基因来维持细胞稳态。嗜热菌关键酶的内在结构特性（如刚性、减少的疏水暴露）及其与分子伴侣系统的层级互作，是其在极端环境中保持代谢活性的分子基础。

这项研究的重要意义在于，它不仅系统阐明了超高温堆肥环境中微生物的适应策略，还将宏观的群落功能与微观的蛋白质结构动态联系起来，填补了复杂环境下微生物热耐受机制研究的空白。所揭示的分子伴侣协同作用机制及关键酶的热稳定特性，为优化堆肥工艺参数、开发高效嗜热微生物菌剂、提高有机废物资源化效率提供了坚实的理论支撑和技术路径。同时，研究成果对极端微生物资源的开发利用、蛋白质工程及生物技术领域的耐热应用也具有重要的借鉴价值。