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为解决古菌中甘油降解途径不明的问题，研究人员以嗜热嗜酸古菌（Sulfolobus acidocaldarius）为对象开展甘油代谢机制研究。结果发现其可利用甘油为唯一碳源，存在独特的甘油 - 3 - 磷酸脱氢酶（G3PDH）及膜锚定方式。该研究有助于阐明古菌甘油利用机制，推动生物技术应用。
在微生物的世界里，甘油就像一把神奇的 “钥匙”，它不仅是许多微生物重要的碳源，在生态系统中参与各种生理过程，还在食品、制药等多个工业领域发挥着关键作用。然而，这把 “钥匙” 打开古菌 “大门” 的具体方式，也就是古菌中甘油的代谢途径，却一直蒙着一层神秘的面纱。以往对细菌和真核生物中甘油代谢的研究较多，而古菌的相关研究却很匮乏，目前仅对少数古菌如 Haloferax volcanii 有一定了解，但仍有许多未知等待探索。为了揭开这层面纱，来自德国多个研究机构的研究人员针对嗜热嗜酸古菌（Sulfolobus acidocaldarius）展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》杂志上，这一研究对于揭示古菌甘油代谢机制以及推动相关生物技术应用具有重要意义。研究人员采用了多组学分析（包括转录组学 RNA - seq、蛋白质组学 LC - MS - MS 和代谢组学）、基因编辑（构建基因缺失突变体和互补菌株）、酶学分析（纯化和表征相关酶的活性和动力学特性）以及生物信息学分析（序列比对、结构预测和系统发育分析）等技术方法。研究结果如下：
- 生长特性与代谢途径确定：经过适应期，S. acidocaldarius MW001 在以甘油为唯一碳源和能源时能呈指数生长，且生长速率和生物量产量优于 D - 木糖。通过多组学分析发现，甘油代谢途径为：甘油经促进扩散进入细胞，由甘油激酶（GlpK，Saci_2033）磷酸化为甘油 - 3 - 磷酸（G3P） ，再由一种类似 GlpA 的不寻常甘油 - 3 - 磷酸脱氢酶（G3PDH，Saci_2032）氧化为二羟基丙酮磷酸（DHAP） ，DHAP 进入中心代谢途径。
- 酶的纯化与特性分析：对 S. acidocaldarius 中两种假定的甘油激酶（GK）Saci_1117 和 Saci_2033，以及两种 GlpA 样 G3PDH（Saci_1118 和 Saci_2032）进行纯化和体外活性表征。结果显示，两种 GK 均为同源二聚体，Saci_2033 催化效率更高；两种 G3PDH 也是同源二聚体，含有 FAD 辅因子，能还原泛醌 - Q1，且 Saci_2032 的催化活性更高。
- 膜锚定机制研究：S. acidocaldarius 的 G3PDHs 与细菌 GlpABC 复合物中的 GlpA 亚基有相似性，但缺乏介导膜锚定的 GlpC 亚基。研究发现，G3PDH 基因（saci_1118 和 saci_2032）与 CoxG 同源物（saci_1119 和 saci_2031）形成操纵子，CoxG 同源物可介导 G3PDHs 与细胞膜的相互作用，是一种不常见的膜锚定机制。
- 基因功能验证：构建 GK 基因单缺失突变体 Δsaci_1117 和 Δsaci_2033 以及双缺失突变体 Δsaci_1117Δsaci_2033。结果表明，Δsaci_1117 突变体生长速率降低，而 Δsaci_2033 和 Δsaci_1117Δsaci_2033 突变体完全不能在甘油上生长，证实 Saci_2033 是生长在甘油上的主要表达和必需的 GK。
- 序列与结构比较：通过序列分析和结构比较发现，S. acidocaldarius 的 G3PDH 与其他古菌、细菌和真核生物的 G3PDH 在 N 端区域有同源性，但 C 端差异显著。这些差异与它们的功能相关，如 C 端结构影响二聚体形成和电子转移。
- 系统发育与基因共线性分析：对不同古菌中 GK 和 G3PDH 的分布、序列相似性和系统发育关系进行分析，发现 GK 在古菌中分布较广且保守，而 G3PDH 分布零散，不同谱系的 G3PDH 形成不同的复合物，与下游基因共线性不同，反映了其功能的多样性。研究结论和讨论部分指出，该研究首次证明 S. acidocaldarius 能够利用甘油作为唯一碳源和能源生长，其甘油代谢途径涉及一种经典的 GK 和一种不寻常的 G3PDH。这种 G3PDH 通过 CoxG 样蛋白锚定在膜上，与其他生物的 G3PDH 有显著差异。同时，研究还揭示了古菌中甘油代谢酶的多样性，表明不同的甘油代谢机制可能是古菌适应不同环境和代谢需求的结果。这一研究不仅丰富了人们对古菌甘油代谢的认识，也为利用古菌进行生物技术应用提供了理论基础，例如在生物柴油生产中产生的大量甘油，可通过改造 S. acidocaldarius 等古菌，将其转化为有价值的产品，具有广阔的应用前景。
