整合转录组与代谢模型揭示巴氏甲烷八叠球菌电子传递机制

为解决甲烷古菌基因表达与蛋白丰度弱相关性导致的转录组数据解读难题，研究人员首次将转录组数据整合到巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）代谢模型中，揭示了氧化CO2还原途径在乙酸裂解产甲烷中的核心作用，阐明了F420H2脱氢酶（Fpo）和跨膜氢化酶（Vht）在直接种间电子传递（DIET）中的功能机制，为甲烷生物技术发展提供了新见解。

　　

在全球碳循环和可再生能源领域，甲烷古菌（Methanogenic archaea）扮演着关键角色，其中巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）因其多底物代谢能力备受关注。然而，传统转录组分析面临重大挑战：基因表达水平与蛋白丰度的弱相关性，使得直接种间电子传递（DIET）等新型产甲烷机制的分子解析陷入困境。尤其当学界试图通过转录数据推断代谢通量时，这种"基因-蛋白-功能"的断层现象严重阻碍了甲烷生物技术的优化进程。

为突破这一瓶颈，研究人员创新性地构建了首个整合转录组数据的巴氏甲烷八叠球菌代谢模型。通过模拟乙酸裂解、氢营养型和DIET三种产甲烷途径，研究颠覆了传统认知——原被忽视的氧化CO₂还原途径实为乙酸裂解产甲烷的关键驱动力。更引人注目的是，模型精准捕捉到DIET过程中的核心转录特征：F₄₂₀H₂脱氢酶（Fpo）与跨膜氢化酶（Vht）构成电子传递双引擎，前者负责膜电位驱动的质子转运，后者介导细胞外氢循环。这种双路径协同机制解释了DIET高效能量转化的分子基础。

关键技术方法包括：1）多组学整合分析框架构建；2）基于约束的代谢通量平衡分析；3）跨途径转录-代谢关联建模。研究通过对比不同产甲烷条件下的转录组数据与代谢预测，建立了基因表达-代谢通量的量化关系模型。

【乙酸裂解途径的新认知】
模型分析显示，传统乙酸裂解途径模型缺失了CO₂还原的关键环节。当整合转录数据后，乙酰辅酶A裂解产生的电子必须通过氧化CO₂还原途径再循环，这一发现修正了沿用数十年的代谢图谱。

【DIET的电子传递机制】
在DIET条件下，Fpo和Vht的表达呈现显著协同性。模型预测表明，Fpo通过F₄₂₀非依赖性途径建立质子梯度，而Vht则通过H₂循环实现胞外电子传递，二者形成能量转换的"双保险"机制。

【代谢通量的转录调控规律】
研究首次量化了代谢节点基因表达与通量的非线性关系，发现中心代谢途径存在"转录缓冲"现象——关键酶表达量变化需超过阈值才能显著改变通量。

该研究不仅为甲烷古菌代谢工程提供了精准预测工具，其建立的"转录-代谢"关联模型更具普适意义。特别是揭示的DIET双引擎机制，为设计高效电子传递链的生物电化学系统（如微生物燃料电池）提供了理论蓝图。论文发表于《Water Research X》，标志着组学整合分析在环境微生物研究中的应用迈入新阶段。