甲烷氧化菌如何处理硫化氢的毒性作用

甲烷氧化菌——通过消耗甲烷生长的有机体——似乎是缓解全球变暖的完美选择，因为甲烷约占这种影响的 30%。然而，天然气主要由甲烷组成的钻探地点也含有硫化氢 (H 2 S)，它会抑制甲烷氧化菌的生长。在一项新的研究中，研究人员发现甲烷 氧化菌Methylococcus capsulatus Bath 有一种酶可以帮助它在少量 H 2 S 存在的情况下生长。

“硫化氢是石油和天然气行业的一个主要问题。如果我们要开发解决甲烷排放问题的生物解决方案，那么我们需要了解甲烷氧化菌对硫化氢的反应，”化学和生物分子工程学教授 Christopher Rao (BSD/CABBI/GSE/MME) 说。“这项研究是关于甲烷氧化菌如何重新编程其新陈代谢以响应 H 2 S 的首批研究之一。”

“甲烷氧化菌是自然界中主要的甲烷汇，因为它们使用甲烷作为碳源，这与使用葡萄糖的 大肠杆菌等其他细菌不同，”Rao 和 Mackie (MME) 实验室的前研究生 Sichong Pei 说，和论文的第一作者。“通过研究甲烷氧化菌，我们可以了解并改造它们以增加甲烷消耗量并帮助减轻甲烷的温室效应。”

M. capsulatus Bath 目前用于商业目的，它们被喂食纯甲烷以制造用于动物饲料的单细胞蛋白质。尽管为此目的对细菌进行了广泛研究，但尚不清楚 M. capsulatus Bath 如何处理天然气，天然气除甲烷外还含有二氧化碳、氮气和 H 2 S。

“H 2 S 的毒性和腐蚀性很强，石化行业必须将其从天然气中去除，这一步骤称为'脱硫'，”Pei 说。“然而，我们知道有甲烷氧化菌生活在温泉中，那里含有高浓度的甲烷和 H 2 S。这些细菌必须对硫化合物具有天然抵抗力，这意味着使用这些细菌可以减少甜化过程并节省钱。”

尽管其他研究人员研究了 H 2 S 对 M. capsulatus Bath的抑制作用 ，但他们仅使用生理学测试来测量细菌在气体存在下的生长速度。在当前的研究中，该小组研究了细胞中的转录——细胞利用 DNA 制造信使 RNA 的过程——以进一步研究 H 2 S 对这些细菌代谢的影响。

首先，研究人员使用不同浓度的 H 2 S 来了解哪些浓度具有抑制作用。虽然 M. capsulatus Bath 可以在 0.1% H 2 S 的条件下生长，但在 0.5% 和 0.75% 的浓度下生长速率会下降，而在 1% H 2 S 时它们会被完全抑制。“我们试图找到细菌生长的最佳点可以忍受 H 2 S，而不会感到压力太大，”Pei 说。

然后，研究人员用不同浓度的 H 2 S(包括 0%、0.1%、0.5% 和 0.75%)培养细菌，并观察 RNA 和小分子水平的变化。他们发现，在 0.75% H 2 S 时，细菌从使用钙依赖性甲醇脱氢酶 mxaF 转变 为使用镧系元素依赖性甲醇脱氢酶 xoxF。

“这些细菌在甲烷上生长，首先将甲烷转化为甲醇，然后在甲醇脱氢酶的帮助下将甲醛转化为甲醛，”裴说。“基因 xoxF 是十年前发现的，它使用的是镧系元素。我们看到 xoxF 的转录比 mxaF增加 了五倍 。”

镧系元素在自然界中的浓度通常很低——通常在微摩尔范围内。那么，问题是为什么细菌会依赖一种使用镧系元素的酶?“三十亿年前，地球大气层主要含有甲烷和H 2 S。很可能古代微生物含有适应这些恶劣条件的酶。一种假设是细菌继承了 xoxF 基因，该基因产生这种相对古老的酶，使它们能够在富含硫化物的条件下发挥作用。”

尽管这些细菌具有 xoxF，但它们主要依赖于 mxaF ，因为它更有效。然而，研究人员表明，当这些细菌暴露于硫化物时，它们会转而使用 xoxF。“以前，这种转变只有在研究人员添加镧系元素时才会出现，”裴说。“我相信这个开关背后有一个有趣的机制，而这只是其中的一部分。”