產生乙烯的微生物新途徑，有望為生物製造塑料等提供原料

2020-08-31 科學大觀園雜誌


漬水土壤中的微生物會產生高水平乙烯，這對作物和牧草有不良影響。

《科學》雜誌8月28日報導，美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和俄亥俄州立大學（OSU）的科學家們發現了一種新的產生乙烯的微生物途徑，有望為生物製造塑料、冷卻劑和日用品提供原料。

研究人員在文中揭示了無氧或缺氧土壤中微生物產生乙烯的方式，以及保護作物免受高水平乙烯傷害的途徑。此外，該研究還概述了一種未知的細菌產生甲烷的方式。

研究人員表示，乙烯和甲烷是細菌製造蛋氨酸時產生的副產物。當細菌處於厭氧、低硫環境中時，它們將被迫消耗細胞廢產物中的硫，觸發這個新的微生物途徑。

OSU研究人員Justin North說：「十年來，科學家一直在研究生物在含氧環境中以不同機制製造乙烯的過程。擴大這個過程存在明顯的技術障礙，因為乙烯和氧氣在工業規模下混合很容易爆炸。新發現的厭氧途徑跨越了這一障礙，但還有很多規模化研究工作需要完成。」


研究人員使用專門的質譜技術表徵了微生物系統的蛋白質組。

新研究始於OSU研究人員Robert Tabita領導的光合細菌固碳和氮硫代謝研究。作為Tabita團隊的一員，North決定測定深紅螺菌和其他同類微生物在急需硫時所消耗、排放的氣體。他驚訝地發現了乙烯的存在。North說：「我們知道這些細菌正在製造氫氣並消耗二氧化碳。然而，它們竟然還在大量製造乙烯，這太奇怪了。」

North等研究了這種新代謝過程，並使用放射性化合物追蹤了前體，以及甲硫氨酸和乙烯的產生。然而，North等還缺乏一種生物分析技術來建立新途徑與驅動酶蛋白的關聯。於是，Tabita向ORNL生物質譜組負責人Bob Hettich尋求了幫助。

Hettich團隊開發了一種特殊的質譜技術，以表徵微生物系統中的蛋白質組。這項技術可以精確測定不同分子的質量和裂解途徑，並提供其結構和組成細節。Hettich團隊從低硫和高硫系統中鑑定出了數千種蛋白質，並分析了它們的相對豐度。

Hettich說：「我們發現了顯著的差異。在低硫、產乙烯的樣品系統中，某種類固氮酶蛋白質的含量要高出近50倍。當硫被消耗後，部分與鐵和硫相關的蛋白質也大量增加了。」

固氮酶可以將大氣中的氮轉化為氨，是重要的地球化學過程。然而，從命名來看，這些類固氮酶並不是在預測的硫代謝中起作用的蛋白質。

Hettich說：「有時候，基因、基因家族的命名或注釋會引起誤解。命名暗示了它的主要功能，但實際上，這種基因可能還有次要的功能。這時，我們就需要使用數據來揭示真正的聯繫。」

有了關鍵的蛋白質組數據，研究人員通過操縱細菌基因組，調控了基因簇Rru_A0793-Rru_A0796。他們發現，調控基因可以開關乙烯的產生，這證實了基因與其編碼產生的酶對新代謝途徑的關鍵作用。

North說：「新代謝途徑將引領新的研究方向，它可能對農業研究有益。」

原創編譯：雷鑫宇 審稿：alone 責編：Max

期刊來源：《科學》

期刊編號：0036-8075

原文連結：

https://phys.org/news/2020-08-sulfur-scavenging-bacteria-key-common-component.html

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