非光合硝化细菌中特殊甲基质体醌的发现及其在双向电子传递与能量代谢中的关键作用

这篇研究揭示了硝化螺菌属（Nitrospira）中独特的甲基化质体醌（methyl-PQs）的存在，其标准氧化还原电位（E°′≈50-60 mV）介于泛醌（UQ）与甲基萘醌（MK）之间。通过伏安法（voltammetry）和质谱分析，证实这些非光合细菌特有的醌类衍生物在反向电子传递（reverse electron transport）、氨氧化代谢及氧化应激防御中发挥核心作用，拓展了醌类多样性认知，为理解化能自养菌能量转换机制提供了新视角。

　　

非光合硝化细菌中特殊甲基质体醌的发现与功能解析

引言

醌类化合物（quinones）作为电子和质子载体，在生物能量代谢中具有核心地位。传统认知中，质体醌（plastoquinone, PQ）仅存在于光合生物（如蓝藻和植物），而硝化螺菌属（Nitrospira）作为非光合的化能自养菌，其醌类组成长期未明。本研究通过大规模培养（批量培养达24 L，连续培养18 L）纯化硝化螺菌（包括完全氨氧化菌"comammox" N. inopinata和亚硝酸盐氧化菌N. moscoviensis），结合高分辨质谱（UHPLC-HRMS）和伏安分析，首次鉴定出9种甲基化质体醌（methyl-PQs），填补了非光合生物中质体醌类存在的空白。

材料与方法

1. 菌株培养与纯度验证：采用改良矿物培养基（含NH₄Cl或NaNO₂），通过荧光原位杂交（FISH）和限制性片段长度多态性（RFLP）确保培养物纯度。

2. 醌类提取与结构鉴定：Bligh-Dyer法提取脂质，质谱分析显示methyl-PQs具有特征性质谱碎片（如m/z 695.577对应methyl-PQ 8:8），氢化实验进一步验证结构。

3. 氧化还原电位测定：采用铟锡氧化物（ITO）电极伏安法，基于Frumkin等温线模型计算标准氧化还原电位（E°′），结果显示methyl-PQs电位（57-59 mV vs. SHE）显著低于经典质体醌（≈100 mV），但高于甲基萘醌（≈?70 mV）。

结果与讨论

1. 醌类组成特征：N. inopinata以methyl-PQ 7:7（40%）和8:8（45.3%）为主，而N. moscoviensis富含methyl-PQ 9:9（67.1%）和10:10（29.2%），暗示链长差异可能与物种特异性代谢适应相关。

2. 生理功能推测：

   • 双向电子传递：methyl-PQs的中等电位使其既能参与正向呼吸链（如comammox中羟胺衍生的电子传递），又能驱动反向电子传递（通过2M-Nqo复合体将电子从醌传递至铁氧还蛋白（ferredoxin），支持还原性TCA循环（rTCA）的CO₂固定）。

   • 氧化应激防御：甲基化头基可能增强还原态醌（methyl-PQH₂）的抗氧自由基能力，弥补硝化螺菌缺乏超氧化物歧化酶（SOD）的缺陷。

3. 进化意义：该发现挑战了质体醌仅与光合作用关联的传统观点，提示其可能起源于更古老的电子传递系统。

技术挑战与展望

尽管研究取得突破，但硝化螺菌的低生长速率（需数月培养）和遗传操作困难限制了深入机制研究。未来需开发百升级培养系统或异源表达平台，以解析methyl-PQs在复合体III（Q-cyt c氧化还原酶）和2M-Nqo中的精确作用位点。

结论

硝化螺菌独有的甲基化质体醌是化能自养菌能量代谢网络的关键组件，其独特的氧化还原特性为理解极端环境微生物的电子传递适应性提供了新范式。这一发现不仅扩展了醌类化学多样性，也为氮循环微生物的生态功能研究开辟了新方向。