盐单胞菌（Halomonas sp. MNB13）中的非蛋白质生成性β-丙氨酸代谢机制调控了深海铁锰结核中锰的还原过程

《Applied and Environmental Microbiology》：Non-proteinogenic β-alanine metabolism in Halomonas sp. MNB13 regulates manganese reduction in deep-sea ferromanganese nodules

本研究发现深海卤菌Halomonas sp. MNB13通过β-丙氨酸代谢促进锰氧化物（MnO?）还原，释放Mn2?。转录组分析显示MnO?显著上调β-丙氨酸代谢相关基因，导致内源β-丙氨酸水平下降。外源β-丙氨酸增强细菌生长和MnO?还原效率，并通过分泌的泛酸和异丁酸促进Mn(IV)还原为Mn(II)，同时提高催化酶活性缓解氧化应激。该机制揭示了非蛋白氨基酸在深海锰循环中的作用。

　　在深海环境中，铁锰结核是一种广泛分布的沉积物，其不仅具有重要的地质意义，同时也是研究微生物介导的金属循环的理想材料。铁锰结核中含有丰富的锰氧化物，这些物质在特定的微生物作用下可以被还原为可溶性的锰（II）离子，进而释放到海水中，参与海洋生态系统的物质循环。尽管已有大量研究探讨了微生物如何参与锰氧化物的溶解过程，但关于非蛋白质氨基酸代谢在锰（II）释放中的作用，尤其是β-丙氨酸代谢，目前仍存在较大的研究空白。本研究聚焦于β-丙氨酸代谢对锰（IV）还原的潜在影响，以揭示其在深海铁锰结核锰释放过程中的生态功能。

β-丙氨酸作为一种非蛋白质氨基酸，广泛存在于海洋环境中，其主要来源是细菌对天冬氨酸和谷氨酸的脱羧作用。在微生物代谢过程中，β-丙氨酸不仅参与能量代谢，还可能通过影响细胞生长和代谢产物的分泌来促进金属氧化物的溶解。本研究中，从西太平洋深海铁锰结核中分离出的菌株MNB13被发现具有显著的锰（IV）还原能力，其在锰氧化物存在下能够促进锰（II）的释放。研究通过转录组分析和代谢物检测，揭示了β-丙氨酸代谢在该菌株中的重要性，并进一步探讨了其对锰（IV）还原的具体机制。

研究结果表明，当MNB13菌株暴露于锰氧化物（MnO?）环境中时，其β-丙氨酸代谢相关基因的表达显著上调。这一现象不仅体现在基因表达水平的变化上，还反映在细胞内β-丙氨酸浓度的下降，表明该代谢过程被激活。进一步的实验表明，外源性β-丙氨酸的添加能够显著增强菌株的生长，并减少锰（IV）的比例，而不会改变锰氧化物的类型。这说明β-丙氨酸在促进菌株生长的同时，也间接影响了锰氧化物的还原过程。

β-丙氨酸通过促进能量代谢和抗氧化系统的作用，改善了菌株在锰氧化物还原过程中的适应能力。研究中发现，β-丙氨酸能够显著提高菌株的催化酶活性，从而有效清除还原过程中产生的活性氧物质，缓解氧化应激。此外，β-丙氨酸还通过刺激三羧酸循环（TCA）、糖酵解（EMP）和磷酸戊糖途径（PPP）等关键代谢途径，提高了细胞内ATP的生成效率，支持了细胞的生长和代谢需求。这些代谢变化不仅增强了菌株的生长能力，还可能通过影响细胞内的氧化还原状态，间接促进了锰（IV）的还原。

在分泌代谢产物方面，β-丙氨酸的添加显著改变了菌株分泌的有机酸组成。其中，戊二酸和丙酮酸的浓度变化被证实与锰（IV）的还原能力密切相关。这两种有机酸不仅能够降低培养基的pH值，还可能作为电子供体参与锰的还原过程。研究中通过X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）技术，进一步验证了锰氧化物在β-丙氨酸作用下的还原情况。结果显示，β-丙氨酸处理后的样品中，锰（IV）的比例显著下降，而锰（II）和锰（III）的比例则有所上升，表明β-丙氨酸确实促进了锰氧化物的还原。

值得注意的是，尽管某些常见的有机酸如草酸、柠檬酸和琥珀酸在锰氧化物还原过程中起重要作用，但本研究中并未检测到这些物质的显著积累。这表明MNB13菌株可能利用了不同的代谢途径来实现锰的释放。相比之下，戊二酸和丙酮酸的浓度变化更为显著，且它们的增加与锰（IV）的减少存在显著的正相关。这提示我们，这些代谢产物可能在锰氧化物的还原过程中发挥了关键作用。

此外，β-丙氨酸的添加还显著改变了菌株的代谢模式，使其能够更高效地利用代谢资源，促进细胞生长和有机酸的分泌。研究中通过高通量代谢组学分析，发现β-丙氨酸能够显著提升细胞内乙酰辅酶A的浓度，这是能量代谢中的关键中间产物。乙酰辅酶A的增加不仅支持了细胞的生长，还可能通过影响代谢通路的流向，进一步促进了锰（IV）的还原。这种代谢调控机制为理解深海微生物如何在复杂的环境条件下促进金属循环提供了新的视角。

从生态学角度来看，β-丙氨酸作为非蛋白质氨基酸，在深海环境中可能扮演着重要的角色。它不仅参与了锰氧化物的还原过程，还可能通过影响微生物的代谢和生长，对深海铁锰结核的形成和分解产生深远影响。研究中发现，β-丙氨酸的添加能够显著提高锰（II）的释放效率，同时减少细胞内的氧化压力，从而提高菌株的生存能力和代谢活性。这些发现不仅拓展了我们对β-丙氨酸代谢功能的认识，也为未来深海微生物资源的开发和利用提供了理论依据。

本研究通过多学科手段，如转录组分析、代谢组学和酶活性测定，系统地揭示了β-丙氨酸在MNB13菌株中对锰氧化物还原的作用机制。研究结果表明，β-丙氨酸不仅能够促进菌株的生长，还通过调控代谢通路和分泌有机酸，间接促进了锰（IV）的还原。这一发现为深海微生物在金属循环中的作用提供了新的证据，并可能为海洋生物地球化学过程的研究带来新的思路。

总之，本研究通过深入分析β-丙氨酸代谢对深海铁锰结核中锰（IV）还原的影响，揭示了非蛋白质氨基酸在微生物介导的金属循环中的潜在作用。研究不仅拓宽了我们对深海微生物代谢功能的理解，还为未来深海资源的利用和环境保护提供了重要的科学依据。这些发现表明，β-丙氨酸作为一种重要的代谢产物，可能在深海生态系统中发挥着比我们之前想象更为关键的作用。