科学家发表了新的甲烷产生生物群的第一个实验证据

蒙大拿州立大学的一个科学家团队提供了第一个实验证据，证明黄石国家公园热特征中生长的两组新微生物会产生甲烷——这一发现有朝一日可能有助于开发缓解气候变化的方法，并为我们太阳系其他地方的潜在生命提供洞察

《自然》杂志本周发表了密歇根州立大学文学与科学学院化学与生物化学系副教授、该大学热生物学研究所副所长Roland Hatzenpichler实验室的研究结果

这两篇科学论文描述了密歇根州立大学的研究人员对第一批已知的产生甲烷的单细胞生物的验证，这些生物存在于Euryarchaeota谱系之外，Euryarchaoeta谱系是生命树中更大分支古菌的一部分

产甲烷的单细胞生物被称为产甲烷菌。当人类和其他动物为了生存而进食、呼吸氧气和呼出二氧化碳时，产甲烷菌会吃二氧化碳或甲醇等小分子并呼出甲烷。大多数产甲烷菌是严格的厌氧菌，这意味着它们不能在氧气存在下生存

自20世纪30年代以来，科学家们就知道古菌中的许多厌氧生物都是产甲烷菌，几十年来，他们认为所有产甲烷菌都属于一个门：Euryarchaeota

但大约10年前，在其他门中开始发现具有产甲烷基因的微生物，包括一种名为热蛋白菌门的微生物。该门包含两个微生物群，称为Methanomethicia和Methanodespokora

Hatzenpichler说：“我们对这些生物所知的只是它们的DNA。”。“没有人见过这些所谓的产甲烷菌的细胞；没有人知道它们是否真的使用了它们的产甲烷基因，或者它们是否通过其他方式生长。

Hatzenpichler和他的研究人员根据他在密歇根州立大学的一名前研究生Mackenzie Lynes去年发表的一项研究结果，开始测试这些生物是否靠产甲烷生存。

样本是从黄石国家公园温泉的沉积物中采集的，温度在141至161华氏度（61-72摄氏度）之间。通过Hatzenpickler所说的“艰苦的工作”，密歇根州立大学博士生Anthony Kohtz和博士后研究员Viola Krukenberg在实验室培养了黄石公园的微生物。这些微生物不仅存活下来，而且繁衍生息，并产生甲烷。随后，该团队致力于研究新微生物的生物学特性，苏黎世联邦理工学院的科学家Zackary Jay和其他人也参与其中

与此同时，由中国农业农村部沼气研究所的雷成和荷兰瓦赫宁根大学的戴安娜·索萨领导的一个研究小组成功地培育出了另一种新型产甲烷菌，他们已经为此工作了六年

Hatzenpichler说：“在我们的研究之前，除了DNA测序外，还没有对这些微生物进行过任何实验工作。”

他说，Cheng和Sousa提出将这些研究一起提交发表，Cheng关于分离另一名Methanomethicia成员的论文与Hatzenpichler实验室的两项研究联合发表

Hatzenpichler说，虽然新发现的产甲烷菌之一Methanodesfokora似乎仅限于温泉和深海热液喷口，但Methanomethicia却很普遍

它们有时存在于废水处理厂、反刍动物的消化道以及海洋沉积物、土壤和湿地中。Hatzenpichler说，这很重要，因为根据美国环境保护局的数据，产甲烷菌产生了世界上70%的甲烷，这种气体在大气中捕获热量的能力是二氧化碳的28倍

他说：“甲烷水平的增长速度远高于二氧化碳，人类向大气中排放甲烷的速度比以往任何时候都要快。”

Hatzenpichler说，虽然这些实验回答了一个重要问题，但它们产生了更多将为未来工作提供动力的问题。例如，科学家们还不知道生活在非极端环境中的Methanomethicia是依靠产甲烷生长还是通过其他方式生长

Hatzenpichler说：“我最好的猜测是，它们有时会通过制造甲烷来生长，有时会完全做其他事情，但我们不知道它们什么时候生长，如何生长，为什么生长。”。“我们现在需要找出它们何时有助于甲烷循环，何时没有。”

尽管Euryarchaeota内的大多数产甲烷菌使用二氧化碳或乙酸盐来制造甲烷，但Methanomethicia和Methanodesfokora使用甲醇等化合物。Hatzenpichler说，这一特性可以帮助科学家学习如何改变发现它们的不同环境中的条件，从而减少排放到大气中的甲烷

他的实验室将于今年秋天开始与密歇根州立大学博兹曼农业研究和教学农场合作，该农场将为进一步研究牛体内发现的产甲烷菌提供样本。此外，秋季加入Hatzenpichler实验室的新研究生将确定新发现的古菌是否会在废水、土壤和湿地中产生甲烷

Hatzenpichler说，Methanomethicia也有一种迷人的细胞结构。他与苏黎世联邦理工学院的两位科学家Martin Pilhofer和研究生Nickolai Petrosian合作，证明这种微生物形成了以前未知的细胞对细胞管，将两个或三个细胞相互连接

Hatzenpichler说：“我们不知道它们为什么会形成它们。这样的结构在微生物中很少见。也许它们交换DNA；也许它们交换化学物质。我们还不知道。”

Hatzenpichler在一次在线讲座和最近的Matters Microbial播客上讨论了这两项研究的结果，并制作了这张关于甲烷循环的信息图 More information: Anthony J. Kohtz et al, Cultivation and visualization of a methanogen of the phylum Thermoproteota, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07631-6

Viola Krukenberg et al, Methyl-reducing methanogenesis by a thermophilic culture of Korarchaeia, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07829-8

Kejia Wu et al, Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07728-y

Journal information: Nature