非生长底物乙烷对专性甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b核心代谢的扰动机制及其在营养胁迫下的PHB合成调控

本研究揭示了乙烷(C2H6)作为非生长底物如何通过竞争还原力、生成乙酸中间体等机制，显著影响II型专性甲烷氧化菌（obligate methanotrophs）的甲烷(CH4)氧化、生长及聚羟基丁酸酯(PHB)合成。通过多组实验证明，乙烷共代谢会优先消耗甲烷氧化酶(MMO)所需的还原当量，并通过乙酸积累抑制生长但促进PHB合成，为理解复杂底物环境下的甲烷氧化菌代谢可塑性提供新视角。

　　

乙烷共代谢对专性甲烷氧化菌的双重调控效应

研究以II型专性甲烷氧化菌Methylosinus trichosporium OB3b为模型，系统探究了乙烷(C₂H₆)这一非生长底物在不同营养条件下对其核心代谢的影响。通过四组实验（SET I-IV）设计不同CH₄/O₂比例，发现4.5%乙烷添加会显著抑制甲烷氧化速率（q_{max_CH4}降低35-66%）和最大比生长速率（μ_max降低50-64%），但意外促进PHB积累（SET III提升168%）。这种"抑制生长却促进储存"的悖论现象，通过后续浓度梯度实验（5-50%乙烷）和代谢干预实验揭示了三大机制。

还原力竞争：乙烷氧化的优先权

乙烷与甲烷需通过甲烷单加氧酶(MMO)激活，每分子均消耗2个还原当量（如NADH）。但乙烷氧化仅产生2个净电子（甲烷为4个），导致还原力净损耗。当外源添加甲醇（ME20）时，其氧化的6个电子被优先用于乙烷而非甲烷氧化，证实乙烷对还原力的"劫持效应"。而甲酸盐（FE20）因仅提供2个电子，无法缓解这种竞争。这种偏好性随乙烷浓度升高而加剧，表现为转化率(T_y)从0.93（5%乙烷）升至7.27（50%乙烷）。

乙酸的双刃剑作用：从生长抑制到PHB合成

乙烷通过MMO-乙醇脱氢酶-乙醛脱氢酶途径转化为乙酸。17.7 mM乙酸处理（AC20）重现了乙烷的效应：虽不影响甲烷氧化（q_{max_CH4}无差异），但显著抑制生长（生物量降低37%），同时使PHB含量从9.4%增至34.4%。基因组分析发现该菌通过ACK-PTA途径将乙酸转化为乙酰-CoA（PHB前体），而缺乏ACS途径。乙酸毒性可能源于质子动力耗散或乙酰磷酸信号干扰，但其作为PHB合成"碳泵"的作用在氮限制条件下被放大。

MMO基因表达的相位依赖性

RT-qPCR显示，乙烷使生长期的sMMO基因（mmoX）表达下调60%，但pMMO基因（pmoA）保持稳定。值得注意的是，pmoA转录水平与实际甲烷氧化活性脱节——即使甲烷消耗减少75%，其mRNA仍无变化，提示传统分子标记的局限性。而在营养胁迫的PHB积累期，乙烷处理组出现pmoA下调/mmoX上调的"相位翻转"，反映代谢状态对MMO调控的深层影响。

生态与生物技术启示

该研究揭示了天然气田等复杂环境中乙烷与甲烷的代谢互作机制：乙烷既通过"还原力漏斗效应"削弱甲烷氧化效率，又通过乙酸分流促进碳储存。这种代谢权衡为优化PHB生产提供了新思路——适度乙烷添加可定向调控碳流。未来需结合组学手段，解析乙烷引发的全局代谢重编程，并对比兼性甲烷氧化菌的共代谢策略差异。