研究古菌的论文

研究古菌的论文

在黑暗的深海水域中发生的事情比你想象的要多：不计其数的看不见的微生物在水体中过着它们的日常生活。如今，在一项新的研究中，来自南丹麦大学等研究机构的研究人员发现，其中的一些微生物以一种意想不到的方式产生氧气。相关研究结果发表在2022年1月7日的Science期刊上，论文标题为“Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon”。论文通讯作者为南丹麦大学生物学系助理教授Beate Kraft。

氧气对地球上的生命至关重要，主要由植物、藻类和蓝细菌通过光合作用产生。已知有少数微生物可以在没有阳光的情况下制造氧气，但到目前为止，人们只在非常特定的栖息地发现了数量非常有限的微生物。海洋中有活的微生物Nitrosopumilus maritimus（海洋氨氧化古菌）和它的表亲。

呆在黑暗中的幽灵生物

Kraft说，“这些家伙在海洋中真的很丰富，它们在氮气循环中发挥着重要作用。为此它们需要氧气，所以长期以来一直存在一个难题，即为何它们在没有氧气的水域也非常丰富。我们认为，它们只是呆在那里，没有任何功能；它们一定是某种幽灵细胞。”

论文共同作者、Don Canfield说，然而，这其中有一些令人费解的地方：“这些微生物是如此普遍，一桶海水中每五个细胞就有一个是它们”。因此，这些作者开始感到好奇；它们在缺氧的水中会不会有什么功能？

它们自己制造氧气

Kraft决定在实验室里测试它们。“我们想看看如果它们耗尽了氧气会发生什么，就像它们从富氧水域转移到缺氧水域时那样。它们会存活吗？”

Canfield说，“我们看到它们如何耗尽水中的所有氧气，然后令我们惊讶的是，在几分钟内，氧气水平又开始增加。这是非常令人兴奋的。”

对我和我的朋友来说足够了

这些作者证实海洋氨氧化古菌能够在黑暗环境中制造氧气。虽然制造的氧气不多---根本没有多到会影响地球上的氧气水平，但足以维持它们自己的生存。

Kraft解释说，“如果它们产生的氧气比它们自己需要的多一点，它将很快被它们附近的其他生物所摄取，所以这些氧气将永远不会离开海洋。”但是，这些极其丰富的产氧微生物对它们所处的环境有什么影响？

新的海洋考察

科学家们已知道氨氧化古菌是微生物，它们维持着全球的氮循环，但他们并不清楚它们的全部能力。

在这种新发现的产氧途径中，海洋氨氧化古菌将氧气产生与气态氮的产生偶联起来。通过这样做，它们从环境中去除生物可用的氮。

Kraft说，“如果这种生活方式在海洋中广泛存在，这无疑迫使我们重新思考我们目前对海洋氮循环的理解。我的下一步是调查我们在世界各地不同海洋点的缺氧水域的实验室培养物中看到的现象。”

她的研究团队已经在丹麦的Mariager Fjord采集了样本，下一站是墨西哥和哥斯达黎加附近的水域。（生物谷 ）

参考资料： Beate Kraft et al. Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon. Science, 2022, doi:6733.

IF：49.962 | 诺禾致源助力新型产甲烷古菌的发现

2021年12月22日，诺禾致源来自农业农村部沼气科学研究所的客户在 《 Nature 》 发表了题为：Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species 的研究论文，深圳大学李猛教授及马克斯普朗克海洋微生物研究所Gunter Wegener教授作为共同通讯。文章探究了一类新型产甲烷古菌（ Ca . Methanoliparum）的代谢途径并证实了其独立降解长链烷基烃产甲烷的功能，在古菌厌氧降解长链烷烃产甲烷研究方面取得突破性进展。 其中，16S rRNA微生物多样性、宏基因组和宏转录组测序工作均在诺禾致源完成。

下面，我带大家一起学习下这篇高分文章：

Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species

一种古菌以非互营方式实现烷基烃降解产甲烷

期刊： Nature    IF： 49.962

文章背景

地下油藏和海洋渗油沉积物中，微生物使用碳氢化合物作为能源和碳的来源。微生物优先消耗烷烃、环状和芳香族化合物，留下未分解的复杂混合物作为残留物，从而改变油的质量。 在没有硫酸盐的情况下，微生物会将厌氧烃降解与甲烷的形成结合起来。该反应最初被 Zengler 等人证明为产甲烷的“微生物烷烃裂解”，大量研究表明它可以在细菌和古细菌的共养相互作用中进行。 在这种同养中，细菌将油发酵成醋酸盐、二氧化碳和氢气，而氢营养型和/或乙酸营养型产甲烷古细菌则使用这些产物进行产甲烷。存在多种厌氧烃活化机制，包括经过充分研究的由甘氨酰自由基酶催化的延胡索酸加成途径。 这种机制在以各种链长的烷烃和其他碳氢化合物为生的细菌中很普遍。相比之下， 几个古菌谱系在特定类型的甲基辅酶M还原酶(MCR)的帮助下激活气态烷烃，该酶最初被描述为催化产甲烷菌中的甲基辅酶M (methyl-CoM)。 厌氧甲烷营养古细菌使用经典 MCR 将甲烷活化为甲基-CoM，然后将其氧化为 CO2。短链烷烃氧化古细菌含有这种酶的不同变体，称为烷基 CoM 还原酶 (ACR)。 类似于甲烷激活MCR，ACR激活多碳烷烃以形成CoM结合的烷基单元。

研究结果

培养的烷烃氧化古细菌通过   Wood-Ljungdahl   和/或   β   氧化途径将短链烷烃（如乙烷、丙烷或丁烷）氧化为   CO2   。 这些古细菌需要共养伙伴细菌，它们接收在烷烃氧化过程中释放的还原当量以进行硫酸盐还原 。然而，许多未培养的古菌谱系含有 acr 基因，这表明降解碳氢化合物的古菌远比少数培养的代表所描绘的更加多样化。 最近描述的宏基因组组装基因组   (MAG) ‘ Candidatus  Methanoliparia’编码了规范   MCR   和   ACR。这种独特的   MCR-ACR   组合，结合额外的基因组特征，如膜结合甲基钴胺素：CoM   甲基转移酶   (Mtr)，表明这些古细菌结合了烷烃的降解和甲烷的形成，而无需共养伙伴。然而，这些说法缺乏直接的生理证据。   该研究培养了来自地下油藏的 Ca . Methanoliparum。 分子分析表明， Ca . Methanoliparum含有并过度表达编码烷基辅酶   M   还原酶和甲基辅酶   M   还原酶的基因，这些基因是古菌多碳烷烃和甲烷代谢的标记基因。 不同底物的孵育实验和辅酶-M 结合中间体的质谱检测证实。 Ca . Methanoliparum   不仅在各种长链烷烃上茁壮成长，而且在   n -烷基环己烷和具有长   n -烷基   (C≥13)   部分的   n -烷基苯上也能茁壮成长。 相比之下，短链烷烃（如乙烷到辛烷）或具有短烷基链（C≤12）的芳烃没有被消耗。 Ca  Methanoliparum   在富油环境中的广泛分布表明这种烷营养型产甲烷菌可能在碳氢化合物转化为甲烷中起关键作用。 总之，该研究发现一种来自油藏的新型的产甲烷古菌，可在厌氧环境下直接氧化原油中的长链烷基烃产生甲烷，突破了产甲烷古菌只能利用简单化合物生长的传统认知，拓展了对产甲烷古菌碳代谢功能的认知。 这一研究完善了碳素循环的生物地球化学过程，并为枯竭油藏残余原油的生物气化开采——“地下沼气工程”奠定了科学基础。

16S扩增子测序通过对特定长度的 PCR 产物进行测序分析，研究环境微生物多样性及群落组成差异，避开了微生物分离培养困难的问题；宏基因组（Metagenome）测序以生态环境中的DNA为研究对象，可以获得的整个环境微生物的基因组，主要侧重于研究基因的结构，预测潜在的代谢功能和基因表达情况，能有效的扩展微生物资源的利用空间；宏转录组（Metatranscriptome）测序以环境中全部RNA为研究对象，获得具有转录活性的基因。如果说16S扩增子是研究样本“存在什么”，宏基因组是研究样本“能做什么”，那么宏转录组则是研究样本“正在做什么”。

以“16S+宏基因组+宏转录组测序”更能清晰的探究微生物的物种变化趋势、精确深入至功能基因层面，解析环境体系变化的分子机制，为全面解析环境微生物群落中的重要物种和基因信息提供了一种有效手段。

参考文献

Zhou, Z., Zhang, Cj., Liu, Pf. et al. Non-syntrophic methanogenic hydrocarbon degradation by an archaeal species. Nature (2021).

「Nature」12年时间！神秘古菌终被培养出来，揭开细胞进化历程

作者：Yun

导言： 随着科学家对神秘古菌的了解越来越多，他们发现有关构成人、植物等的复杂细胞进化的线索。

古细菌（简称古菌） 作为生物三界之一（另外两界为细菌和真核生物），起源比细菌更为古老，其通常存在于深海、高温等极端环境中。而且，它们可能是 地球上复杂生命进化的关键 。尽管真核生物和古菌可能都起源于共同的祖先，但是许多科学家怀疑是古菌促进了真核生物群的产生，例如变形虫、蘑菇、植物和人等。

一种流行的进化理论表明，真核生物就是起源于古菌，古菌在此过程中与其他微生物融合。但是研究人员在 探索 这个想法时遇到了麻烦，部分原因是古菌很难在实验室中生长和研究，以至于 它们的发育和分裂方式仍然是神秘 的。

近日，顶级期刊 《Nature》 上发表了一篇题为“The mysterious microbes that gave rise to complex life”的文章，介绍了古菌的发展历程。

澳大利亚悉尼 科技 大学的分子微生物学家Iain Duggin说，在过去的十年中，关于这种神秘的微生物的出版物增长了近一倍。他说：“我们可以做一些有趣的基础实验，并走出重大发现的第一步。这样我们能够更清楚地 了解最早的真核生物是如何进化的？ ”

威斯康星大学麦迪逊分校的Baum正在研究一种古细菌。Baum花了很多时间想像人类遥远的祖先可能是什么样子？而恰巧 《BioRxiv》 预印本中发布了科学家花了 12年培养出来的古菌 。 它具有触手似的突起，其中细胞看起来像肉丸，然后上面附着了一些意大利面条 。

该图像令Baum震惊。后来它在 《自然》 期刊上发表，这些图片使世界各地的微生物学家兴奋不已，它们 是科学家艰苦奋斗12年的古菌成果，并被认为与真核生物的产生密切相关 。

五年前，Baum和他的堂兄Buzz Baum 发表了关于真核生物起源的假说 。他们预测跟这张图片神似，所以当 Baum凝视着类似意大利面条的古菌时，他惊讶：“哦，我的天哪，我们的猜想是对的！”

如果真核生物确实是一个强大的古生菌，那么科学家必须了解古生菌才能明白更复杂的细胞是如何形成的？尽管研究真核生物和细菌的科学家数十年来一直深入研究细胞分裂和生长的过程，但 古菌的内部运作仍然模糊 。

从土壤到海洋，所有细胞的共同点是它们分裂成更多的自己。它发生在地球上所有基于细胞的生命的共同祖先中，但是随着有机体适应不同生态环境，这一过程开始变得不同。

研究人员可以通过观察这种差异来 探索 进化。所有细胞生命机制都具有从最早的细胞继承来的生物学共同点。相比之下，仅古细菌和真核生物或细菌和真核生物之间共享的系统暗示了哪个亲本提供了真核生物的各种成分。例如，真核细胞与外部环境分离的柔性膜类似于细菌中的膜。

Duggin研究了古菌中的细胞分裂。它喜欢咸水条件，例如死海。

尽管细菌， 真核生物和古细菌之间存在巨大差异，但这些群体确实共享了几个细胞分裂系统 。在细菌中，一种称为 FtsZ 的蛋白质会在细胞分裂的未来部位形成一个环。Duggin和他的合作者在火山嗜血杆菌（H. volcanii）中观察到了同样的现象。因此， FtsZ似乎根源于进化的基础 。

然而，在进化的某个时刻，一些古细菌将细胞分裂工作分配给了另一组蛋白质。Baum的团队一直在研究古细菌 Sulfolobus acidocaldarius 。这个名称很合适：它喜欢酸和热。实验室成员戴上手套以保护自己免受其中的酸性液体的伤害，并建立了一个特殊的腔室，使他们可以观察到它在显微镜下分裂而没有冷斑或蒸发的现象。

Baum的团队看到了一组完全不同的蛋白质来管理分裂环。在最初发现它们的真核生物中，这些蛋白质不仅与分裂有关，它们具有更广泛的作用：将膜在整个细胞内分开，形成囊泡以及其他小容器。这些蛋白质被称为ESCRT（运输所需的内体分选复合物）。在酸性嗜盐杆菌中，研究小组发现了与管理分裂环有关的古细菌蛋白质， 这表明ESCRT的早期版本是在真核生物的古细菌中进化的 。

同时，FtsZ演变成真核微管蛋白，为我们的细胞赋予结构。这些发现表明， 真核生物的古细菌祖先可能拥有一个用于成形和分裂细胞的试剂盒 ，该试剂盒可以自然选择，然后适应更复杂的后代细胞的需要。

但是古细菌祖先是什么样的细胞呢？它是如何与细菌相遇并合并的？

生物学家Lynn Margulis于1967年首次提出， 当一个细胞吞噬另一个细胞时，就会出现真核生物 。大多数研究人员都认为，吞噬仍在继续，但是对于何时发生以及真核生物内部隔室是如何产生的却有不同的想法。

许多模型认为， 最终变成真核细胞的细胞在遇到要变成线粒体的细菌之前已经非常复杂 ，具有柔性膜和内部隔室。这些理论要求细胞发展出一种吞噬外在物质的方式，即吞噬作用，因此它们可以以致命的方式捕捉经过的细菌。相比之下，Gould和其他人则 认为线粒体是早期获得的 ，因此它们有助于为更大，更复杂的细胞提供能量。

Baum模型是少数几个解释线粒体如何在不吞噬的情况下产生的模型之一。David Baum于1984年在英国牛津大学攻读本科时首先提出了这个想法。古细菌可能会开始伸展其外膜，以增加表面积以进行营养交换。随着时间的流逝，这些凸起可能会在细菌周围扩散和生长，直到细菌或多或少地处于古细菌内部。同时当某些特别长的触角在边缘附近长大时，细胞的新外膜将形成。与古细菌前体相比，细胞变大了。

该物种是第一个从称为Asgard古细菌的群体中进行培养的物种。2015年描述的这些生物，其基因编码的蛋白质被许多科学家认为与真核生物非常相似。 研究人员很快就怀疑真核生物的古细菌祖先类似于阿斯加德古细菌 。通过指出潜在的祖母，这一发现支持了Baum的假设。

Asgard代表（尚未定名，目前被称为Candidatus'Prometheoarchaeum syntrophicum'）在 生物反应器中生长 ，旁边有一对与微生物共享营养的微生物悬挂器。值得注意的是，它没有任何复杂的内部膜或迹象，它曾经希望吞噬那些同伴。它具有三个与细胞分裂有关的系统。

当细胞停止分裂并伸出触手时，最大的惊喜就来了。Baums暗示，这些可能会增加 与古细菌共培养的微生物之间的营养交换 ，正如他们对祖母细胞的模型所预测的那样。

根据他们的观察，Nobu和他的同事们开发了一种关于真核生物如何进化的理论，该理论与Baums的思想有很多共同之处。它涉及一种微生物延伸的细丝，最终将其伴侣吞没。Nobu说：“我喜欢我们的假设，因为它允许真核生物特有的复杂性（原子核和线粒体同时发生）”。

随着研究人员继续培养和研究古细菌，实验室中现已成功培养出数十种微生物。Buzz Baum和他的合作者正在调查古细菌中的共生关系，并分析微生物家谱以进一步检验他们的想法。Nobu和他的同事正在更详细地研究这些突起，并致力于其它Asgard古细菌。

可能还有更多证据等待发现。例如，Baums预测，可能有可能发现其中触手膜尚未完全与外部细胞膜分离的真核生物。“ 它们既是细菌，又是古细菌，又是新发明 。”Buzz Baum说道。

参考资料：

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注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得 健康 指导，请至正规医院就诊。