氢在调节嗜热自养硫还原细菌中的氢化酶及还原型三羧酸循环（TCA循环）中的关键作用

《Applied and Environmental Microbiology》：Key role of hydrogen in regulating hydrogenases and the reductive TCA cycle in a thermophilic, autotrophic sulfur-reducing bacterium

该研究通过化学振荡器培养和蛋白质组学分析，揭示了嗜热硫还原菌Desulfurobacterium thermolithotrophum HR11在低H2条件下的代谢适应机制。结果显示，当H2浓度从43 μM降至2 μM时，菌体生长速率降低，但单位H2S生成的细胞产量保持稳定。蛋白质组学分析发现79种蛋白表达量上调，66种下调，其中与氢酶相关的膜结合蛋白及还原型三羧酸循环（rTCA）相关酶丰度显著变化，表明该菌通过调整氢酶类型和电子流向，增强CO2固定能力以适应低H2环境，揭示了速率-产量权衡的生态学意义。

　　### 深海热液喷口微生物的适应机制研究：以热嗜菌 *Desulfurobacterium thermolithotrophum* HR11 为例

在深海热液喷口生态系统中，热嗜性自养硫还原微生物扮演着重要的角色，它们参与了硫和碳的循环过程。这些微生物在极端环境中生存，需要应对复杂的化学和热力学梯度，以及关键电子供体如氢气（H?）的可变供应。氢气的浓度在不同热液系统中可能会有显著差异，这可能影响微生物的代谢途径和生存策略。本研究以 *Desulfurobacterium thermolithotrophum* HR11 这种热嗜性自养硫还原细菌为例，探讨其在低氢气浓度条件下的生理和代谢适应机制。HR11 是一种典型的非甲烷生成型氢氧化物利用者，其在低氢气环境下的反应特性对于理解深海热液生态系统中微生物的竞争和生存策略具有重要意义。

在本研究中，研究人员通过连续培养（chemostat）实验，在两种不同的氢气浓度条件下（2 μM 和 43 μM）培养了 HR11。实验结果表明，当氢气浓度降低时，HR11 的比生长速率和最大细胞浓度均显著下降，但细胞产量与硫化氢（H?S）生成的比率保持不变。这一现象提示，在氢气受限的条件下，该菌株可能通过调整其代谢策略来维持一定的生长效率。进一步的差异蛋白质组学分析显示，有 79 种蛋白质的丰度在低氢气条件下显著增加，而 66 种蛋白质的丰度则显著减少。这些变化主要集中在与氢气代谢相关的酶类，如氢化酶和参与二氧化碳固定的关键酶。

### 代谢适应的生理基础

在低氢气浓度条件下，HR11 的细胞数量减少，这表明其生长速度受到了限制。然而，细胞产量与硫化氢生成的比例并未发生变化，这说明即使在氢气供应不足的情况下，该菌株仍然能够维持一定的生物质产出效率。这种代谢适应可能是一种生长速率与生长产量之间的权衡策略，类似于某些甲烷生成菌在氢气限制时的反应模式。通过这种策略，微生物能够在资源有限的环境中优化其能量利用和生物量积累。

在蛋白质组学分析中，研究人员发现，多种与氢气代谢相关的酶在低氢气条件下表现出不同的表达模式。例如，膜结合的铁硫依赖型 [NiFe] 氢化酶（EchABCDEF）和细胞质中的 NAD(P)? 依赖型 [NiFe] 氢化酶（HydBCDA）在低氢气条件下显著增加。这表明，当氢气供应减少时，HR11 可能通过增强这些氢化酶的表达来提高其对氢气的利用效率。此外，膜结合的辅酶 Q 依赖型 [NiFe] 氢化酶（HynABC）在低氢气条件下也表现出增加的趋势，但其表达水平的显著性较低。这一变化可能意味着该菌株在低氢气环境中通过调整其氢化酶的类型和表达水平，以更有效地获取和利用氢气。

值得注意的是，膜结合的辅酶 Q 依赖型 [FeFe] 氢化酶（HydLSH）和膜结合的 NADH 脱氢酶在低氢气条件下显著减少。这可能反映了 HR11 在低氢气环境中减少了对某些代谢途径的依赖，从而将资源集中于更高效的反应。例如，辅酶 Q 依赖型 [FeFe] 氢化酶可能在高氢气浓度下更为活跃，而在低浓度时则被抑制。这种表达变化可能与氢气的可用性和代谢需求有关，说明 HR11 的代谢系统能够根据环境条件进行动态调整。

### 二氧化碳固定与代谢路径的改变

在低氢气条件下，HR11 的某些与二氧化碳固定相关的酶，如还原型三羧酸循环（rTCA）中的酶，表现出显著的增加。这些酶包括琥珀酰辅酶 A 合成酶（SucBA）、2-氧化谷氨酸还原酶（OgorABGD）、异柠檬酸脱氢酶（Idh）和柠檬酸合酶（AclAB）。这些变化表明，HR11 在低氢气环境中可能更倾向于通过 rTCA 循环进行二氧化碳的固定和利用。这种代谢路径的调整可能是为了在氢气供应受限的情况下，获取更多的能量和碳源。

此外，膜结合的 ATP 合成酶在低氢气条件下未表现出显著变化，这表明该菌株可能通过其他途径维持其能量需求。例如，通过氢化酶产生的质子动力势（proton motive force）驱动 ATP 合成，可能是 HR11 在低氢气条件下的主要能量来源之一。这种机制可能在氢气浓度较低时尤为重要，因为此时氢气的氧化可能不足以直接驱动 ATP 的合成，但通过氢化酶和辅酶 Q 的协同作用，仍然可以维持一定的能量水平。

### 微生物竞争与生态意义

在深海热液喷口生态系统中，不同类型的氢氧化物利用者之间存在激烈的竞争。氢气作为重要的电子供体，其浓度的变化直接影响微生物的代谢活动和生存策略。本研究发现，HR11 在低氢气条件下的代谢调整可能为其提供了一定的竞争优势。例如，通过增强某些氢化酶的表达，以及将更多资源投入到二氧化碳固定相关的酶中，HR11 可能在氢气供应不足的情况下，更有效地利用其他可利用的碳源。

这种代谢策略的变化可能对理解深海热液生态系统中微生物的生态角色和竞争动态具有重要意义。在某些情况下，当氢气供应受限时，非甲烷生成型氢氧化物利用者如 HR11 可能比甲烷生成菌更具适应性。例如，甲烷生成菌在低氢气条件下通常表现出较低的生长速率和较高的细胞产量，而 HR11 的反应模式则可能提供了一种不同的适应策略。这种策略的差异可能影响微生物在生态系统中的分布和功能，进而影响整个生物地球化学循环。

### 早期地球的微生物代谢与演化意义

本研究的结果还对理解早期地球的微生物代谢具有潜在的科学价值。在地球早期，大气中缺乏氧气，而硫和氢气可能是主要的电子供体。HR11 在低氢气条件下的代谢调整可能反映了早期微生物如何在资源有限的环境中生存和繁衍。例如，通过利用氢气进行代谢，同时通过二氧化碳固定来维持其生长，这种策略可能在地球早期的无氧环境中更为常见。

此外，研究还指出，HR11 在低氢气条件下的代谢路径可能涉及更复杂的电子传递过程。例如，通过氢化酶将氢气氧化为质子和电子，这些电子可能通过辅酶 Q 传递到细胞质中的还原型三羧酸循环酶，从而驱动二氧化碳的固定。这种机制可能在早期地球的无氧环境中发挥了重要作用，为生命的起源和演化提供了重要的线索。

### 技术方法与实验设计

为了深入了解 HR11 在不同氢气浓度下的生理和代谢变化，研究人员采用了多种先进的技术手段。首先，通过基因组测序，研究人员获得了 HR11 的完整基因组信息，包括染色体和质粒。这为后续的蛋白质组学分析提供了重要的参考。其次，利用连续培养实验，研究人员能够在控制条件下监测 HR11 的生长和代谢变化。实验中，HR11 被培养在两种不同的氢气浓度下，通过监测细胞数量和硫化氢的生成，研究人员能够评估其在不同条件下的代谢活性。

蛋白质组学分析采用了同位素标记（TMT 10plex）和液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS），以确保数据的准确性和可重复性。通过对八个样本进行分析，研究人员能够识别出在低氢气条件下显著变化的蛋白质，并进一步探讨其功能和调控机制。这些分析结果不仅揭示了 HR11 在低氢气条件下的代谢适应，还为理解其在深海热液生态系统中的生态角色提供了新的视角。

### 结论与未来研究方向

本研究的结果表明，*Desulfurobacterium thermolithotrophum* HR11 在低氢气条件下表现出显著的代谢适应。这种适应可能涉及氢化酶表达的调整、二氧化碳固定路径的增强，以及与其他代谢途径的协调。这些变化不仅反映了该菌株的生理特性，还揭示了其在深海热液生态系统中的生存策略。

未来的研究可以进一步探讨 HR11 在低氢气条件下的基因表达调控机制，以及其如何通过不同的代谢路径维持能量需求和生物量积累。此外，研究还可以扩展到其他类似的热嗜性自养硫还原菌，以评估其在不同环境条件下的适应能力。通过这些研究，科学家可以更好地理解深海热液生态系统中微生物的代谢多样性及其在生物地球化学循环中的作用。