Science | 重磅研究！揭示厌氧条件下乙烯和甲烷合成新途径！

2020年8月28日，权威期刊Science发表了俄亥俄州立大学微生物学家F. Robert Tabita教授课题组的研究成果，题为A nitrogenase-like enzyme system catalyzes methionine, ethylene, and methane biogenesis。土壤细菌有一系列的新陈代谢途径，有助于获取和循环利用营养物质和碳。奇怪的是，其中一些生物在厌氧条件下缺硫时，会放出乙烯气体。North等人将乙烯的来源追溯到细胞中某些反应产生的一种含硫的小有机分子。在限硫条件下培养细胞，使他们能够确定参与硫代谢的酶，并通过这一途径同时产生乙烯。当提供适当的底物时，甲烷和乙烷也被观察到作为产物。所涉及的关键基因与在细菌和古菌中发现的固氮酶和其他几种还原酶有远亲关系。这种类固氮酶的基因参与硫代谢，突出了这一酶类家族中未被探索的多样性的潜力，并提出了许多机制和进化问题，这些问题现在已经成熟，可以进行探索。

细菌生产乙烯和甲烷等气态碳氢化合物会影响土壤环境和大气气候。本研究证明，来自陆地和淡水细菌合成的甲烷和乙烯是由一种以前未知的蛋氨酸合成途径直接产生的。该途径存在于众多物种中，使用一种新的类固氮还原酶，它不同于已知的固氮酶和类固氮还原酶，并特异性地在C-S键断裂中发挥作用，以减少无处不在和可观的挥发性有机硫化合物，如二甲基硫醚和（2-甲硫基）乙醇。释放出的甲硫醇作为蛋氨酸的直接前体，而乙烯或甲烷则释放到环境中。通过这种途径厌氧生产乙烯显然解释了长期观察到的乙烯在缺氧土壤中积累的原因。甲烷的生成揭示了另一条不同于古菌产甲烷的细菌途径。

本研究已经破解了生产大量乙烯气体的主要技术障碍，这种乙烯气体可以替代化石燃料来源制造塑料。要开发这些菌株来生产工业上大量的乙烯气体，还有很多工作要做，但这打开了大门。乙烯在化学工业中被广泛用于制造几乎所有的塑料。它在制造业中的使用量比任何其他有机化合物都多。目前，石油或天然气被用来制造乙烯。其他研究人员已经发现了能制造这种化学物质的细菌，但一直存在使用它的技术障碍--需要氧气作为这个过程的一部分。氧气加乙烯是爆炸性的，这也是将其用于制造的一大障碍。

但本研究发现的细菌系统生产乙烯的过程中不需要氧气就可以工作，这给我们带来了重大的技术优势。这一发现是在研究Rhodospirillum rubrum时发现的。还注意到，这些细菌是从甲硫基乙醇中获取生长所需的硫。科学家们试图了解细菌是如何做到这一点的，因为没有已知的化学反应涉及这一过程。

科研人员决定看看细菌产生了什么气体，结果发现乙烯气体也在其中，并确定了以前未知的过程，该过程释放了细菌所需的硫，以及乙烯的副产物。

这还不是全部，研究人员还发现细菌利用二甲基硫化物制造强烈的温室气体甲烷。所有的研究都是在实验室里完成的，所以这个过程在环境中到底有多普遍还有待观察。但这种新发现的乙烯生产过程可能会对现实生活产生影响。

图1. 类固氮酶与VOSC利用有关

图2. 基因marBHDK是VOSCs无氧蛋氨酸代谢所需要的

图3. 甲基硫代烷烃还原酶和硝基甲烷还原酶是独立的

图4. 甲基硫代烷烃还原酶在系统发育上是不同的

乙烯是一种重要的天然植物激素，适量的乙烯是植物生长和健康的关键。大量使用它对植物生长也是有害的。这种新发现的途径可能会揭示许多以前无法解释的环境现象，包括大量的乙烯在积水的土壤中积累到抑制水平，造成广泛的作物损害。现在知道了它是如何发生的，我们也许能够规避或处理这些问题，所以当洪水发生时，乙烯不会在土壤中积累。这项研究是一个意外的结果。

最初，该研究涉及到一个完全不相关的研究问题，与这里报告的研究结果似乎没有关系。在研究一种特殊蛋白质在细菌硫代谢中的作用时，研究人员注意到有一组完全不同的蛋白质也意外地参与其中。这导致了新的代谢反应的发现，并意外地产生了大量的乙烯。这是一直都无法预测的结果。

认识到乙烯的工业和环境意义，科研人员开始了这项合作研究，随后发现了一个全新的复杂酶系统。这项研究得到了能源部科学办公室、国家癌症研究所和国家科学基金会的支持。

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