连线提高效率：产甲烷微生物如何管理电子

产甲烷古细菌使用复杂的酶系统生活在能量有限的缺氧环境中。节省能量的一个关键机制是电子分叉，这是一种“分裂”一对电子能量的反应，以牺牲另一个为代价，使一个电子的能量减少更强烈。马克斯普朗克陆地微生物研究所(马尔堡)和生物物理学研究所(美因河畔法兰克福)的研究人员发现了一种来自产甲烷古细菌的大量酶复合物，可将电子从电子分叉反应直接转移到 CO 2还原和固定。他们对这些高效能源转换过程的详细见解可能为可持续生物技术发展开辟新的可能性。

据估计，每年由称为产甲烷古细菌的厌氧微生物产生 10 亿吨甲烷。由于甲烷是一种强效温室气体，大气中甲烷浓度的增加威胁着生命和生计。另一方面，通过厌氧消化废物和废水来捕获生物产生的甲烷可能是一种可再生的燃料来源。因此，了解微生物甲烷形成的机制有可能刺激和支持环境保护工作。

产甲烷古细菌通过进行甲烷生成成功地竞争，甲烷生成是有机营养物质厌氧分解的最后步骤之一，通常在极端条件下。大多数产甲烷古菌通过产甲烷循环从二氧化碳 (CO 2 ) 和氢气 (H 2 ) 产生甲烷，涉及多种酶反应。在典型的产甲烷栖息地中，这种反应仅释放少量能量，因此产甲烷菌需要高效的酶系统才能在这种能量有限的环境中茁壮成长。

产甲烷循环的一个特别复杂的步骤称为基于黄素的电子分叉 (FBEB)。在这个反应中，一对电子的能量被分裂，因此一个电子以另一个电子为代价而变得更强烈地减少。假设产甲烷菌通过在细胞中自由扩散的小电子载体蛋白铁氧还蛋白转移来自该反应的高能电子以固定 CO 2。

令人惊讶的是，MPI 陆地微生物学(马尔堡)和生物物理学 MPI(法兰克福)的一个研究小组表明，不需要这样的电子载体来将电子从 FBEB 转移到 CO 2还原。研究人员从产甲烷古菌 Methanospirillum Hungatei 中纯化了由甲酸脱氢酶 (Fdh)、异二硫化物还原酶 (Hdr) 和甲酰甲烷呋喃脱氢酶 (Fmd) 组成的酶复合物。该物种以及许多其他产甲烷菌通常存在于处理有机废物(例如城市废水或工业废物)的厌氧消化器中。

研究人员通过低温电子显微镜(cryo-EM)通过酶分析和解析结构来表征酶复合物的功能。结构表明，催化产甲烷循环的最后和第一步的酶形成了一个巨大的复合体，从而直接连接了两个步骤，即甲酸驱动的 FBEB 和 CO 2 的还原，而不使用可扩散的电子载体蛋白铁氧还蛋白。

“我们的结构分析揭示了一个巨大的酶复合物，”该研究的主要作者 Tomohiro Watanabe 说。“一种电子转移链蛋白聚铁氧还蛋白形成了一条导电通路，将高能电子从 FBEB 直接引导到 CO 2还原，而不是通过可溶性载体。这意味着失去这些宝贵电子的机会更少。”

结构比较和先前发表的相互作用分析表明，Hdr 和 Fmd 复合物的这种高级结构可能在不同的产甲烷古细菌中很常见。这些结构还提供了对 FBEB 微调机制的新见解。通讯作者 Bonnie Murphy 解释说，“cryo-EM 的方法允许我们使用图像分类来解决同一样品中存在的不同构象状态的结构。在这种情况下，我们发现复合物的两种不同构象状态相差很大。我们称之为“移动臂”的部分的旋转。通过在这两种状态之间旋转，复合物控制电子流入和流出 FBEB 位点”。

总之，这些发现帮助我们了解产甲烷古菌的能量代谢如何为效率进行微调：通过控制电子流入和流出 FBEB 并允许直接转移高能电子以固定CO 2。这些知识将有助于设计减少温室气体排放的策略，并可能允许电子分叉在生物技术中的更广泛应用。

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