甲烷八叠球菌甲醇:辅酶M甲基转移酶介导乙醇生成乙烷的机制研究及其对生物源乙烷形成的启示

本研究揭示了Methanosarcina acetivorans通过甲醇特异性甲基转移酶(MtaCB)的底物混杂性，实现乙醇向乙烷的转化。研究人员通过基因敲除菌株、静息细胞悬浮实验和体外生化验证，证实三种MtaCB同工酶均具备乙基转移能力，为自然界生物源乙烷的形成提供了新的酶学机制。该发现拓展了类咕啉依赖性甲基转移酶的功能认知，对代谢网络构建和烷烃生物地球化学循环研究具有重要意义。

　　

在厌氧微生物的神秘世界里，类咕啉依赖性酶一直扮演着关键角色。传统认知中，这类酶要么催化甲基转移反应，要么通过腺苷钴胺素产生底物自由基进行重排反应。然而自然界总是充满意外——科学家们早在数十年前就发现，甲烷八叠球菌(Methanosarcina)能在体内将乙醇转化为微量乙烷，这不禁让人猜想：那些专一性催化甲基转移的酶，是否也可能"不务正业"地处理乙基？

这个谜题的核心在于类咕啉依赖性甲基转移酶的底物混杂性(substrate promiscuity)。虽然大多数乙烷来自热成因或非生物过程，但越来越多的证据表明自然界存在生物源乙烷：从缺氧沉积物 slurry 到具有生物特征同位素签名，都暗示着微生物可能参与乙烷生成。更引人注目的是，当使用产甲烷抑制剂时，这些沉积物就停止产生乙烷，而纯培养的甲烷八叠球菌确实能在乙醇补充培养基中产生痕量乙烷。甲基辅酶M还原酶(Mcr)能够通过底物混杂性将乙基辅酶M转化为乙烷，这已被实验证实。但完整的乙醇到乙烷的转化路径仍是一个未解之谜。

发表在《Antonie van Leeuwenhoek》的这项研究，首次系统揭示了甲醇:辅酶M甲基转移酶(Mta)在乙醇转化中的关键作用。研究团队选择乙酸甲烷八叠球菌(Methanosarcina acetivorans)作为模式生物，这不仅因为它是遗传操作便利的产甲烷菌，更因其拥有三个MtaCB同工酶（mtaCB1、mtaCB2、mtaCB3），为研究底物特异性提供了理想模型。

研究人员采用多学科技术方法开展研究：通过基因敲除技术构建了单同工酶表达菌株和三敲除菌株；使用气相色谱-火焰离子化检测器(GC-FID)高灵敏度检测痕量乙烷；通过静息细胞悬浮实验（添加蛋白质合成抑制剂）验证现有蛋白质组的催化功能；并利用全细胞裂解液体外生化实验追踪从乙醇到乙烷的转化路径。

Ethane production in vivo and via resting cell suspensions

通过比较野生型(WT)和三敲除菌株(△3mtaCB)的生长特性，研究发现乙基化底物（乙醇和三乙胺）不影响菌株倍增时间和甲烷产量，但乙烷产生必须同时满足三个条件：存在mtaCB基因、以甲醇为生长底物（诱导mtaCB表达）、培养基中添加乙醇。静息细胞实验进一步证实，仅在甲醇生长的WT细胞中能检测到乙烷生成（速率0.26 nmol/h），而三乙胺或三敲除菌株均无乙烷产生。

Testing the substrate promiscuity of Mta isozymes in vivo and via resting cell suspensions

三种单同工酶表达菌株（mtaCB1、mtaCB2、mtaCB3）在乙醇存在下均能产生乙烷，证明所有同工酶都具备乙基激活能力。虽然mtaCB2菌株在长期培养中积累最多乙烷，但静息细胞实验显示mtaCB3菌株具有最高乙烷生成速率（0.3 nmol/h）。值得注意的是，乙烷生产仅在甲醇完全消耗后才开始，且乙烷产量比甲烷低约三个数量级。

In vitro ethane formation from ethanol, ethylcobalamin and ethyl-CoM using M. acetivorans WT cell lysate

体外实验成功重建了乙烷生成路径：乙基辅酶M产生最多乙烷，乙基钴胺素（模拟乙基-MtaC）次之，乙醇直接转化产量最低。这一梯度分布完美验证了假设路径：从乙醇到乙烷需要MtaB、MtaA和Mcr三种酶的底物混杂性协同作用；而从乙基钴胺素开始只需MtaA和Mcr；乙基辅酶M则仅需Mcr催化。

研究最终得出结论：乙酸甲烷八叠球菌的乙醇到乙烷代谢完全依赖Mta的底物混杂性。三种MtaCB同工酶都能激活乙醇进行乙基转移，但需要满足三个必要条件：mtaCB基因存在、甲醇生长诱导表达、乙醇底物供应。尽管乙烷产量极低（较甲烷低三个数量级），但这一发现具有深远意义。

该研究首次证实类咕啉依赖性甲基转移酶能够催化乙基转移，为代谢网络添加了全新反应类型，也为自然界生物源乙烷的形成提供了合理解释。更引人深思的是，这种基于底物混杂性的乙基转移能力，可能为厌氧烷烃氧化菌的演化提供了模板——在这些微生物中，烷烃氧化 beyond 烷基辅酶M的路径仍然未知，而类咕啉依赖性烷基转移可能是关键环节。虽然甲烷八叠球菌中的乙基转移仅依赖底物混杂性，但这种反应能力可能通过自然选择进化出专门催化乙基转移的高效酶系统，为微生物代谢工程的开发提供了新思路。