话说今天的学术星期四小编要跟大家分享一则在荷兰代尔夫特大学官网率先流出的消息：一个来自俄科院的博士研究院与荷兰TU Delft合作，在西伯利亚的高碱湖发现一种新的微生物。这些微生物在pH高达10的高碱度条件下蓬勃生长，将含甲基有机底物直接转化成甲烷气体！报告发表于5月26号的微生物学领域著名期刊《Nature Microbiology》。
这个发现为什么能因此如此关注？小编就带大家快速解析。
这是位于西伯利亚东南部的一个咸水湖，富含石盐晶体沉积（halite crystal deposition）。湖水显红色是因为盐水里的嗜盐古菌（haloarchaea）浓度很高。
新嗜盐古菌的发现揭开微生物产甲烷奥秘？
Dimitry Sorokin在西伯利亚工作现场照片. 白色的东西不是雪花，而是天然碱(trona), 一种含有 NaHCO3和 Na2CO3的矿物质。| 图源：Dimitry Sorokin
上图这位壮汉就是报告的第一作者Dimitry Sorokin。他现在工作于荷兰的TU Delft代尔夫特理工大学和位于莫斯科的俄科院的Winogradsky微生物研究院。“Dimitry研究在西伯利亚盐碱湖的微生物，”TU Delft著名教授Mark van Loosdrecht介绍说，他本人是这篇报告的联合作者，也是Dimitry的同事，"Dimitry发现的这种微生物的最佳生存条件是50-55℃，pH为10的饱和浓盐溶液环境。它们将1-甲基有机化合物转化成甲烷气体。这个发现给我们对地球生命的演化提供了更深入的了解，拓宽了我们已知的在微生物极端环境下生长的种类。"
在不久将来，这些新发现的微生物也许还将在有机物的降解转化为甲烷的工艺生产中扮演一定的角色，尤其对于那些高pH和还有二氧化碳余留的废水或者有机废液。因此，产生的气体将是甲烷而不是现在的沼气（biogas - 含有甲烷和二氧化碳的混合气体）。目前，例如污水厂和生活垃圾厂的厌氧发酵产生的生物沼气还需要通过加工处理才能达到天然气的品质，然后介入市政燃气管网。而这个加工过程耗费大量的能量和投资成本。
Dimitry则说： "在过去几年，产甲烷菌所谓的甲基还原途径(methyl-reducing pathway)已经成为了热门研究课题。人们已经在几种不同的产甲烷菌中发现了这种混合式的代谢途径 (hybrid pathway)。我们在这条路径中，只能找到经典的七步走法中只有最后一步(only the last of the classical seven steps is present)。其实在很久之前，这现象已经在其他两种产甲烷菌中发现，不过当时大家觉得这只是不太重要的新奇事(inconsequential curiosity)，因此没太多人继续往下深究。如今，我们的研究至少证明了它跟其他经典代谢途径一样的重要。”
Sorokin在西伯利亚工作现场 | 图源: Dimitry Sorokin
“然而目前，执行这一路径的微生物中我们只分离出其中一个纯菌种。” 我们在这个高碱湖发现的甲基还原菌似乎代表新的菌纲(class)，而这些微生物是极端嗜盐(halo(alkali)philes)而且适度嗜热(thermophiles)，” Dimitry说。
"在过去5年里，我一直在研究在高碱湖的几种产甲烷的极端微生物，其中一种是能在高溶解性碳酸盐(pH=10)的环境下生存。早在2012年，我们对这里的底泥做活性测试发现一些微生物没有对添加的典型产甲烷底物有所反应。所以在之后一年，我自己设计了新的培养基，终于使其有所反应了。我当时感觉那是一些不寻常的东西在我的鱼钩上挣扎着，”Dimitry说。
"当时的下一步就是尝试人工培养这些微生物。我们加入取自同一湖区的底泥之后，这些微生物产生了大量甲烷(他用了explosive一词来形容其产量)。接着我们我们尝试用一些更普通的化合物来替代底泥，最终显示这些菌种能在加有甲基辅酶M、酵母提取物和胶态FeS的以MeOH/甲酸为主要底物的条件下生长。”
"光学显微镜显示优势种群是一些很小很小的球状微生物，这说明这些菌种可以通过筛选来提纯。通过这种方法，我们最终在两年时间内在不同的高碱湖里分离出11种纯菌种。”
这些来自高碱湖和盐湖的甲基还原产甲烷菌的细胞形态
发现背后的意义
这个发现为何得到了像Mark van Loosdrecht这样的著明生物技术教授的关注呢？除了它能分解有机物产甲烷之外，还有更深层的意义。我们首先介绍一下产甲烷菌的三种经典代谢途径。一般现在关于产甲烷机理的文献都认为产甲烷主要由三种途径实现：
1）还原CO2型：主要利用H2、甲酸作为电子供体还原CO2产甲烷，例如Methanobrevibacter；
2）甲基营养型：通过H2还原甲基化合物中的甲基产甲烷或通过甲基化合物自身的歧化作用产甲烷，例如Methanococcus；
3）乙酸型：通过裂解乙酸，将乙酸的羧基氧化为CO2，甲基还原为甲烷，例如Methanosaeta。
这三种途径有一个共同点：最后都是将甲基转移给CoM 形成甲基-CoM复合物。甲基-CoM复合物进入产甲烷代谢通路最终被还原为甲烷。
传统三代谢途径的流程简图
而边提及的甲基还原是后来提出的第四种代谢途径。在此途径里，甲基化合物只用作电子受体，而氢气则担当电子供体。
最近的一些宏基因组研究发现了三个新的潜在甲基还原产甲烷菌的谱系(deep lineages)，包括了属于广古生菌界(Euryarchaeota)的候选纲 ‘Methanofastidiosa’ 和候选门‘Bathyarchaeota’ 和 ‘Verstraetearchaeota’。这些发现也反过来印证了这是一条独自演化的古老代谢途径。
Diimitry和他的同事发现高碱湖的底泥的DNA里含有产甲烷菌独有的基因的两个不同版本，但跟那些已知的产甲烷菌的相同基因的相关度很低。另外他们也发现发现的新菌种对抗外界高盐环境是通过泵入钾离子、而不是排盐来实现的，与其他产甲烷菌相比，这跟嗜盐古菌的习性更加相似，后者是世界各地常见的高盐环境下繁衍的古生菌纲。很多证据都使他们认为Methanofastidiosa这个纲跟Halobacteria最接近。
图源：naturemicrobiologycommunity.nature.com
“在过去，嗜盐古菌被很多人怀疑是由产甲烷菌的谱系中演化而来的。这次俄荷团队发现的这个新谱系就是确认了这个假设的最后那一块拼图，”美国佐治亚大学的微生物学家William Whitman是这样来解读这一发现的，虽然他自己没有参与这个研究项目，但他认为这是个价值巨大的重大发现。
不过这不等于已经盖棺定论，美国宾夕法尼亚州立大学的微生物学家James Ferry表示这篇报告只能说明发现的菌种的生长方式跟其他我们已发现的产甲烷菌的已知生长方式有所不同。这是不够的。要确认这两个谱系确实是用甲基还原途径的话，需要分离和鉴定出相关酶和基因。
Dimitry自己也表示还有不少问题有待探索。其中一个是这些微生物是怎样使用FeS的，因为后者貌似并没有进入其细胞内。但他本人最感兴趣的还是这个新古生菌纲是如何在环境中运作的——为什么给它合适的条件，它就成为了优质菌种(高达90%)，对于我还一无所知。
“我们可以确定的是，在原核生物世界里，还有许多古老的谱系尚未得到充分探索，”William Whitman评论道，“这正是研究这些谱系的意义所在，它能为地球生命早期的演化提供更多线索。”
Dimitry等人推导的Methanonatronarchaeia的代谢机理图
关于古生菌
话说可能在座很多读者想完全理解上边这些微生物科学家说的话还是有些难度的。我们可以先回顾一下下图的生命之树吧：
我们平时所说的微生物不仅仅是细菌，甚至说有时说细菌也不仅仅是指bacteria，还包括了archaea。Archaea，这个中文常译作古细菌或者古生菌的原核生物，顾名思义，是更古老的微生物——有趣的是，许多适应各种极端环境的微生物(extremophiles)，恰恰都是Archaea，小编个人认为很多尚未有答案的生命奥秘可能都会在这个kingdom(界)微生物中揭晓。联想到最近电影院热播的超能英雄系列电影，说得科幻一点，未来要想出现什么超能侠，说不准archaea的研究是重要的突破口。
为什么我敢这么说？小编找到了一篇2013年发表于《中国科学报》的题为《极端微生物：不可估量的资源》的科普文章，看完大家会明白了：
早在2003年，科学家在2400多米的深海中发现了一种奇特的微生物，它们长期生存在含铁、硫等矿物的深海热溢口附近，在121℃高温时仍具有繁殖能力。这株名为“菌株121”的古菌，也是当时已知最为耐热的生命。
如今，微生物承受的温度极限将进一步刷新。科学家发现，同样来自深海热溢区的另一株极端嗜热甲烷古菌“菌株116”，在20MPa高压条件下，其生长的温度极限可由原来的116℃提升至122℃。
恶劣环境为何能成为极端微生物的最佳栖息地？它们到底具有怎样特殊的生命形式？又会对现代生物技术带来何种变革？近日，中国科学院微生物研究所研究员向华向《中国科学报》记者分享了这其中的奥秘。
探索生命的极限
在美国黄石国家公园，接近沸点或酸度极强的泉水中仍然有生命顽强存在，大量种类不同的嗜（酸）热微生物聚集在这里，其产生的色素也让泉水呈现出不同色彩，从而形成一道独特的风景线。
近年来，科学家在深海、火山、冰川、盐湖等极端环境中又陆续发现了多种新的生命形式，一些具有独特基因类型的极端微生物在这些“生命禁区”中繁衍生息。
据长期从事极端微生物研究的向华介绍，绝大多数古菌、部分细菌和某些真菌都是极端微生物。按照环境适应性分类，极端微生物主要包括嗜热菌、嗜冷菌、嗜盐菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜压菌、极端厌氧菌等。有些超级极端微生物还可适应多种极端环境，如嗜酸热、嗜盐碱等。
目前，科学界已发现的支持极端微生物生长的最高温度极限为122℃，pH值最高达11、最低为0，压强达130MPa（相当于13000米水深）以上。而随着研究的不断深入，微生物生存的各种环境极限还将会被不断地刷新。
向华对记者表示，由于细胞的复杂性及其功能的差异，各种生物能承受的温度范围也有所不同。50℃以上，溶氧、水分等就无法满足动植物的生命需求；62℃以上，真核生物细胞器功能会丧失；75℃以上，叶绿素开始降解，通常不再有光合自养菌；100℃以上，细菌的细胞膜结构就会被摧毁。
同样，保持生物活性的温度也一般不能低于-18℃，否则细胞内就会形成冰晶，继而损毁细胞结构，最终导致生物大分子功能的丧失。
奇特的是，在-50℃到150℃这一温度的两极附近，却仍发现有古菌生存的迹象。“因此，生命极限的边界通常由具有特殊细胞结构及代谢能力的极端古菌界定。”向华说。
向华解释称：“嗜热古菌之所以耐高温，原因在于它具有特殊的细胞膜结构、热稳定的蛋白组及受保护的基因组。同时其生活方式多为化能自养，通过摄取无机物等简单物质就可以产生能量。而嗜冷古菌耐低温的原因则是其胞内具有防冻剂功能的相似相容性物质，它可以保护胞内蛋白不受损伤。另外，嗜冷古菌由于蛋白柔韧性较好，因此在极低温度下仍可生活。”
而对于嗜盐古菌，由于其细胞具有泵入钾离子、排出钠离子的选择能力，能以细胞内积累高浓度钾离子来对抗外界高渗环境，同时胞内蛋白已全面适应高钾环境，因此在饱和盐浓度下仍然具备鲜活的生命力。
除此之外，另一种能够在高强度辐射环境下生存的抗辐射球菌也颇具吸引力。“一般人吸收辐射剂量10Gy就会致死，而抗辐射球菌在20kGy，即人致死剂量的2000倍下依然能很好地生存。”
向华表示，抗辐射球菌对电离辐射、紫外线和一些DNA损伤剂都具有极强的抵抗能力，这种超强抗辐射的作用机制也与其DNA损伤的高效修复、对活性氧自由基的有效清除以及特殊的物质结构（如色素等）和生存方式有关。
更有意思的是，一些嗜盐古菌也具有类似的抗辐射能力，显示不同微生物具有适应特定环境的趋同进化。
广泛的应用前景
据记者了解，数十年前极端微生物还是非常稀缺的研究材料，全球只有少数几个研究小组能够获得此类资源。如今，尽管它们依旧神秘，但很多极端微生物都已成为常规的生物工程的研究材料，其新颖的代谢产物也展现出广阔的应用前景。
极端微生物合成的各种酶类，就是工业应用关注的焦点。
据了解，低温酶由于酶催化反应的最适温度较低，可以在卫生要求较高的食品、药品加工等领域大显身手。而嗜热酶因其具有酶制剂的制备成本低、动力学反应快、能耗低、产物纯度高等优点，也广泛应用于分子生物学研究、环境保护、能源利用等领域。
“目前，已形成产业的主要是高温DNA聚合酶和一些洗涤品用极端酶，全球年产值都在数亿美元。”向华表示，在聚合酶链式反应（PCR）中，由于嗜热菌耐热DNA聚合酶“Taq”的使用，才使PCR的专一性、收得率、灵敏度以及操作简便性和自动化程度都有了明显的提高。而高温酶在生物质处理方面的潜力还须进一步挖掘。
值得一提的是，由多种细菌和某些嗜盐古菌在一定条件下产生的一类胞内聚合物——聚羟基脂肪酸酯（PHA），因其具有生物可降解性及组织相容性等特点，也是目前生物材料开发研究的热点。
PHB和PHBV是PHA最为常见的两种类型，其中，PHBV比PHB具有更好的材料性能。不久前，向华研究组还首次发现CO2直接固定进入PHBV进行贮存的新途径。通过进一步遗传、代谢及发酵工程优化，嗜盐古菌有望成为生产PHBV最为价廉物美的“细胞工厂”。而对极端嗜盐古菌相关特殊途径的深入研究，还有望开发出高附加值的医学生物材料。
除此之外，极端厌氧产甲烷古菌还是地球上唯一可生物合成甲烷的生命形式，广泛分布于各种厌氧环境中，其在沼气发酵、有机废物、废水厌氧降解产甲烷过程中都起到关键作用。
同样，其他一些极端微生物也具有巨大的应用潜力。例如，利用嗜酸耐热菌进行生物冶金，可将贫矿和尾矿中金属溶出并回收；嗜盐碱菌及其功能基因可用于盐碱地的修复；抗辐射微生物用于核污染环境治理等。
产业化之路漫长
在向华看来，极端微生物代表了生命的极限适应能力，这种奇特的生命形式也为科学家在研究生命起源、寻找地外生命等方面带来许多重要启示。而如果极端微生物的生存机制和代谢能力能够成功应用的话，也有望改变整个生物技术领域的面貌。
不过，“虽然极端微生物为生物产业发展提供了很多可能性，但自然界的这些功能，并不意味着就可以直接拿来用。”向华对记者称，虽然我国目前已经掌握了极端微生物的部分机理，但离大规模产业化开发还有较为遥远的距离。
“譬如，对于企业来说，过去的发酵罐主要针对普通菌种，而如果涉足极端微生物，就要面临着改造设备工艺等难题。”在他看来，从基础研究到产业化，这之间还有许多复杂的问题需要解决。
向华觉得，应用基础研究仍然是产业化开发的关键和前提，如果国家对此能有更长远的规划和部署，并加强支持力度，将会有力促进极端微生物科学研究及下游开发的发展进程。
关于嗜盐古菌
A hypersaline soda lake in southeastern Siberia, near Altai
关于嗜盐古菌，小编再引用百度百科的相关词条供大家参考:
极端嗜盐菌的细胞壁由富含酸性氨基酸的糖蛋白组成，这种细胞壁结构的完整由离子键维持，高Na+浓度对于其细胞壁蛋白质亚单位之间的结合，保持细胞结构的完整性是必需的。当从高盐环境转到低盐环境后，一方面细胞壁蛋白解聚为蛋白质单体，使胞壁失去完整；另一方面细胞内外离子浓度平衡打破，细胞吸水膨胀，最终引起胞壁破裂，菌体完全自溶。
在它们生存环境中耐受或需要高盐浓度。如Halobacterium生活在盐湖、盐田及含盐的海水中，它们可污染海盐并引起咸鱼及腌制的动物腐败。由于嗜盐菌细胞含类胡萝卜素，使大多数菌落呈红、粉红或橘红色。类胡萝卜素有利于保护它们抵御环境中强烈的阳光照射。有时嗜盐菌与某些藻类造成的污染将海水变成红色。
大多数嗜盐菌是异养型的，经好氧途径利用有机物产生ATP。当氧含量低时，有些菌株可利用阳光进行光合作用，在它们的细胞膜上形成特殊的斑片状的紫膜（细菌视紫红质）。紫膜具有质子泵的作用，也起排盐作用。目前正设法利用这种机制来制造生物能电池和海水淡化装置。并发现它还可能替代计算机中的芯片。
参考资料
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