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产甲烷古细菌的特点 摘要 ： 产甲烷菌是重要的环境微生物，在自然界的破素循环中起重要作用。迄今已有5种产甲烷菌基因组测序完成。基因组信息使人们对产甲烷菌的细胞结构、进化、代谢及环境适应性有了更深的理解。目前已知的甲烷生物合成途径有3种，它们以乙酸、甲基化合物、氮/二氧化碳为起始，通过不同的反应途径的催化下最终形成甲烷。本文对产甲烷古菌的基因组，代谢途径以及对环境的适应性等特点进行论述。 关键词 ： 产甲烷菌 分类基因组 甲烷合成机制 适应性 The characteristics of methanogenic bacteria Abstract ：Methanogenic bacteria is an important environmental microbiology, factors in the natural cycle of broken play an important role. So far, five kinds of methanogenic bacteria genomes sequenced. Genomic information to enable people to methanogenic bacteria cell structure, evolution, metabolism, and a deeper understanding of environmental adaptation. Methane biosynthesis are now known to have three kinds of ways, they are acetic acid, methyl compounds, nitrogen / carbon dioxide as the starting, by means of different reactions catalyzed by the final formation of methane. In this paper, methanogenic archaea genomes, metabolic pathways and the environmental characteristics of adaptability discussed Key words：Methanogens Genomic classification of adaptive mechanism of methane synthesis 古细菌是一类生活在今天的生物，被称为活化石细菌，他们并不是细菌，因为他们有着与细菌不同的遗传基因。他们是一类独立的生物。生物界被划分为真核生物，细菌，古细菌三大类，只是因为他们是地球上最早出现的生物，并且在形态上跟细菌差不多，所以人们把他们称为古细菌。古细菌主要包括产甲烷菌，极端嗜热菌，极端嗜盐菌等。其中的产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷和二氧化碳的古细菌，它们生活在各种自然环境下，甚至在一些极端环境中。产甲烷菌是厌氧发酵过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。[1]由于产甲烷菌在有机废弃物处理、沼气发酵、动物瘤胃中有机物分解利用等过程中的重要作用，同时甲烷是导致全球变暖的第二大温室气体，因此产甲烷菌和甲烷产生机理的研究备受关注。特别是近几年对产甲烷菌基因组的研究，使人们从全基因组的角度、进化的角度对甲烷生物合成机理、甲烷菌的生活习性、形态结构等方面获得更深刻的理解。 1.产甲烷菌的分类 Schnellen第一个从消化污泥中分离纯化得到甲酸甲烷杆菌和巴氏甲烷八登球菌。到目前为止，分离鉴定的产甲烷菌已有200多种。[2]它们存在于沼泽、湖泊、海洋沉积物及瘤胃动物的胃液等自然生态系统中，也存在于废水处理、堆肥和污泥消化等非自然的生态系统中。从分类学上讲，产甲烷菌属于古细菌的水生古细菌门(EUryarchaeo-ta)，已鉴定的产甲烷菌分属于3个纲的5个目中。 2.产甲烷菌基因组特征 基因组和比较基因组的研究为一个物种基因的组织形式和不同物种间基因的进化关系的分析提供了一种全面的、高通量的分析手段。1996年伊利诺伊大学完成了第一个产甲烷菌 Methanococcus jannaschii 的基因组测序。[3]迄今为止已有4个目的5种产甲烷菌完成基因组测序。从已获得的数据来看，产甲烷菌基因组的大小约为1.5Xi06一6X106bp。一般来说，产甲烷菌基因组由一个环状染色体组成，但也有一些产甲烷菌除了含一个环状染色体外，还含有染色体外元件(extrachromosomal element，ECE)。[4]比如Methanococcus jannaschii不仅含有1个1664976bp的环状染色体，还含有1个58407bp的大ECE和1个16550bp的小ECE。产甲烷菌的G+C含量在30%一65%之间，这种变化与其所生存的环境相关。比如嗜热的MethanoPy-ruskandleriAV19的G+C含量高达62.1%。编码蛋白的ORF与一个物种的复杂度相关联，产甲烷菌的ORF约在1500一5000之间。 传统的分类是在对大量单个微生物进行观察分析和描述的基础上，以它们的形态结构、生理生化特性和遗传性等特征的异同为依据进行的。随着分子生物学的发展，人们利用不同物种间small-subunitribosom习RNA的同源性进行分类取得了较为满意的结果。但这种方法存在着明显的弊端，当环境压力使得某物种核酸中G+C含量变化时，分析结果会有较大偏差。随着多个物种全基因组测序的完成，使人们可以用全基因组信息研究物种的进化、基因的垂直进化和水平迁移。[5]在产甲烷菌之间基因的“重叠”性很高，发现一些基因簇只在产甲烷菌中出现而不在其它古细菌中出现，同样也发现一些其它微生物中共有的基因簇在产甲烷菌中找不到痕迹。在比较中发现M.thermoautotrophicum基因组中缺少物种间基因的水平转移，这可能是由于M.thermoautotrophicum生存在2000m深的海底且温度高达80一100度的独特环境中。不同基因组间基因顺序的比较可以衡量2个物种间的亲缘关系，也能提示基因之间功能的关联性。利用核糖体蛋白同源性构建进化树是目前认为最可靠的进化分析方法。[6] 3产甲烷菌代谢特征 3.1产甲烷菌甚本代谢途径 产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所需的能量。在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的糖酵解途径(EMP)、三狡酸循环(TCA)、氨基酸和核昔酸代谢。但一些基本所需的酶在产甲烷菌中未被确定，如在Methanopyrus kandleri AV19的TCA循环中缺乏将两分子丙酮酸缩合成一分子六碳三狡酸所需的酶。在M.kandleri,M.thermoa和M.jannaschii中均不存在由丙酮酸或磷酸烯醇式丙酮酸形成苹果酸所需的酶。[7]产甲烷菌是自养型的生物，它能利用环境中的化学能。因而产甲烷菌中发现了许多无机物进人细胞所需的通道蛋白。如Na+，K+，Ca+，Cu2+,Fe2+,Fe3+,Cl-,Co2+等离子;以及亚砷酸、磷酸、硫酸、硝酸等无机酸。产甲烷菌还具备运输乳酸、六碳三狡酸、六碳二狡酸等有机物进人细胞的转运蛋白。产甲烷菌是目前唯一知道的可固氮古细菌，该过程由固氮酶和固氮酶还原酶两个金属蛋白形成的固氮酶复合体完成。产甲烷菌能够吸收环境中的硫酸根，通过一系列的酶代谢最终形成硫化氢。[8] 3.2甲烷生物合成途径 甲烷生物合成过程，如甲醇、甲基胺、甲基硫等。3种途径最终都形成甲基辅酶M甲基辅酶M在甲基辅酶M还原酶I(MRI)和甲基辅酶M还原酶H(MRH)的催化下最终形成甲烷。其中乙酸为底物的甲烷合成占自然界甲烷合成的60%以上，以氢和二氧化碳为底物的甲烷合成的30%。在此过程中有多种辅酶参与反应，如:甲酞甲基吠喃(MFR)、甲酞四氢甲基喋岭(THMP)、辅酶M(HSCoM)、辅酶F420(CoF420)、辅酶F430(CoF430)和辅因子B(HS-HTP)。[9]如前所述，甲烷形成的过程伴随着细胞膜内外化学梯度的形成，这种梯度的形成过程类似于以氧为末端电子受体的氧化磷酸化和电子传递链的偶联。在化学梯度形成过程中，Na+离子梯度的形成是由钠离子泵-methyl-THMP:HSCoM甲基转移酶实现的，H+梯度的形成是由位于细胞膜上的HDR实现的，HDR催化与HTP一SS一CoM的还原偶联的氢的氧化。形成的Na+和H十梯度最终驱动位于细胞膜上的Al，P合成酶产生ATP。由乙酸生成甲烷的代谢途径中乙酸首先磷酸化生成乙酞磷酸，乙酞磷酸再转化为乙酞辅酶A，乙酞辅酶A在乙酞辅酶A脱梭酶(ACDS)的催化下形成1分子甲基四氢甲基喋吟(methyl一H4SPt)和1分子一氧化碳，一氧化碳在一氧化碳脱氢酶的催化下脱氢形成CO2，同时形成还原型的铁氧环蛋白。还原型的铁氧环蛋白通过细胞膜的细胞色素蛋白将氢质子泵出细胞膜形成质膜内外的质子梯度差，甲基四氢甲基喋吟在methyl一THMP:HS一CoM甲基转移酶的作用下将甲基转移给HS一伪M，形成甲基辅酶M，同时将Na+泵出细胞膜。以二氧化碳和氢为原料的合成途径通过一系列的电子传递过程形成甲基辅酶M，后续的步骤和乙酸途径相同。以甲基化合物为底物的甲烷合成过程都要将甲基转移给HS一CoM，此过程需要2种酶甲基转移酶1(MT1)和甲基转移酶2(MTZ)，不同的底物需要不同的MTI和M代，已知的MTI、类钻琳蛋白(eorrinoidprotein)和MTZ各有十多种。一般而言，一种产甲烷菌只具有一种甲烷合成途径，但具有多细胞结构的甲烷八叠球菌同时含有3种甲烷合成途径，而且至少可以利用9种甲烷合成的底物。[10] 4.产甲烷菌对环境的适应性的特征 产甲烷菌生活在各种厌氧环境中，甚至在一些极端环境中，这种适应性是长期进化的结果。同时产甲烷菌中存在各种机制以调节自身适应环境。比如甲烷八叠球菌，它们生活在淡水、海底沉积物、腐败的叶子、土壤、油井、下水道污物、动物排泄物等环境中。[11]甲烷八叠球菌基因组中含有大量表面蛋白基因，可以形成具有保护作用的英膜它是古细菌中唯一可以形成多细胞结构的物种，因此提供了一个良好的用于研究多细胞形成机制的模型。在不同的生长阶段和不同的环境条件下甲烷八叠球菌处于不同的细胞形态。在胁迫环境下，多细胞结构形成对提高适应环境能力起到关键作用。产甲烷菌和其它物种一样具有信号转导的二元调控系统，但它及其它古细菌的二元调控系统与已经研究清楚的细菌的二元调控系统有很大不同。细菌的二元系统由组氨酸激酶和响应调控蛋白按1:1的比例组成，而且响应调控蛋白一般具有一个效应域(effector domain)。[12]在产甲烷菌及其它古细菌基因组中的响应调控蛋白一般含有响应调控域，而不具备和细菌类同的效应域。这暗示产甲烷菌可能存在一种新的信号转导机制。尽管还未观察到任何甲烷八叠球菌的运动性，但在其基因组中发现了一个完整的鞭毛基因簇和两个完整的趋化性基因簇，这些基因簇的存在也暗示了产甲烷菌可能会通过运动和趋化性适应环境。[13] 产甲烷菌是厌氧发酵过程中最后一个环节，在自然界碳素循环中扮演重要角色。由于产甲烷菌在废弃物厌氧消化、高浓度有机废水处理、沼气发酵及反当动物瘤胃中食物消化等过程中起关键性作用，也由于产甲烷菌所释放出来的甲烷是导致温室效应的重要因素，产甲烷菌的研究成为环境微生物研究的焦点之一。[14]产甲烷菌基因组及甲烷生物合成研究有利于人们从基因组和分子水平分析古细菌进化、阐明产甲烷菌独特的代谢调控机制及其对环境的适应性;进而为通过生物技术进行环境检测和环境治理奠定了基础。