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—承磊研究员团队在 《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，小编带大家一起学习下这篇高分文章：

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。 

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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。

结果展示

图1 含油污泥中的产甲烷作用及微生物可视化

图2 Ca. Methanoliparum降解十六烷产甲烷

图3 Ca. Methanoliparum的正十六烷降解途径

图4 十六烷基CoM的鉴定 

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). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04235-2