镍限制条件下氢营养型产甲烷菌电子传递途径的替代机制研究

本研究揭示了在镍限制条件下，产甲烷古菌Methanothermobacter marburgensis通过[Fe]-氢酶(Hmd)和F420依赖性电子传递蛋白(Elp)替代传统[NiFe]-氢酶(Frh/Mvh)的电子传递机制，解析了Elp-Hdr-Fmd超复合体结构，为理解自然环境中低镍条件下的甲烷生成及气候变化模型提供了关键分子基础。

　　

在全球气候变化背景下，甲烷作为强效温室气体的生物合成机制备受关注。产甲烷古菌通过氢营养型途径将CO₂和H₂转化为甲烷，其中[NiFe]-氢酶(Frh和Mvh)是电子传递的核心元件。然而自然环境中镍离子浓度常低于实验室标准培养基的1/100，传统认知中依赖镍的代谢途径面临挑战。德国马克斯·普朗克研究所的Shima团队在《Nature》发表研究，首次揭示在严格镍限制条件下(<50 nM)，产甲烷菌通过镍非依赖的替代途径维持代谢的全新机制。

研究采用连续培养系统结合定量蛋白质组学技术，发现当镍浓度降至50 nM时，Frh和Mvh表达量骤降至检测限以下，而[Fe]-氢酶(Hmd)及其辅酶F₄₂₀依赖性甲基四氢甲烷蝶呤脱氢酶(Mtd)的表达显著上调。通过冷冻电镜技术解析的2.2 ?分辨率Elp-Hdr复合体结构显示，ElpB通过FAD和[4Fe-4S]簇将电子从F₄₂₀H₂传递至异二硫化物还原酶(Hdr)的分叉FAD活性中心，完全替代Mvh的电子供体功能。

Proteome under nutrient limitation
蛋白质组分析显示镍限制条件下，MvhAGD和FrhAGB表达量分别下降至5%和1%以下，而Hmd表达量增加8倍。能量守恒甲基转移酶(Mtr)复合体亚基上调2-4倍，暗示钠离子梯度对能量代谢的补偿作用。

Assay of H₂-dependent Hdr activity
酶活实验证实50 nM镍条件下，洗涤细胞提取物仍保持H₂依赖性Hdr活性，且该活性依赖外源添加的亚甲-H₄MPT⁺和F₄₂₀，并可被Hmd特异性抑制剂TosMIC完全抑制。

Purification of the Elp-Hdr-Fmd complex
通过尺寸排阻色谱分离的1 MDa复合体包含ElpABC、HdrABC、MvhB及Fwd/Fmd亚基，其F₄₂₀H₂依赖性Hdr比活达0.4 U/mg，与常规条件下的Mvh-Hdr复合体活性相当。

Cryo-EM structure of Elp-Hdr
冷冻电镜结构揭示(ElpABC-HdrABC)₂二聚体存在两种构象状态：状态1中ElpC的[2Fe-2S]簇与HdrA分叉FAD距离缩短至25 ?，利于电子传递；状态2则通过构象变化将电子分别导向CoM-S-S-CoB还原和CO₂固定途径。AlphaFold3预测MvhB通过N端结构域桥联HdrA与FmdF，形成电子传递超分子机器。

该研究颠覆了传统产甲烷代谢模型，阐明在镍限制环境中，Hmd-Elp系统可完全替代[NiFe]-氢酶的功能。基因组分析显示Elp和Hmd基因在85%的CO₂还原型氢营养产甲烷菌中保守存在，这一发现对准确预测全球甲烷排放、开发新型甲烷抑制策略具有重要指导意义。研究建立的镍限制培养体系为模拟自然环境条件下的微生物代谢研究提供了范式。