2022年03月14日 11:40
【科學快訊】
▎藥明康德內容團隊編輯
作為結構最簡單的有機物，甲烷也是一種強效溫室氣體——其溫室效應是二氧化碳的20多倍。而在向大氣釋放的甲烷中，有70%都是生物來源。科學家早已揭示了這些甲烷的來源：一類古菌可以在缺氧環境中，在酶的參與下利用二氧化碳、氫氣等簡單反應物產生甲烷。
進入21世紀後，人們逐漸意識到，生物成因的甲烷形成過程遠比這個故事複雜。能產生甲烷的不止是那些產甲烷古菌，反應條件也不限於缺氧環境。從藻類、藍細菌到多細胞的真菌、植物，越來越多的證據表明，多種需氧生物都能產生甲烷。但這些生物究竟是如何產甲烷的，卻始終是個未知數。
在本周《自然》雜志的一項最新研究中，由德國海德堡大學領導的團隊提出了一個顛覆性的觀點：包括人類在內，所有生物都是甲烷的生產者。這個結論不僅讓我們重新認識甲烷在生命過程中的作用，還將為多個領域帶來全新見解。
早在8年前，這支團隊就在一篇《自然·通訊》論文中，描述了一個通過非生物途徑三步生成甲烷的過程。簡單地說，這個反應不需要酶參與，且主要原料只有3類：活性氧簇（ROS）、自由鐵以及合適的甲基供體。
整個反應過程也不複雜：首先，ROS（該反應使用的是過氧化氫）和二價鐵離子反應，產生高度還原的羥基自由基（·OH）；隨後，羥基自由基與甲基供體反應，形成甲基自由基（·CH3）；最後，甲基自由基和氫自由基（·H）結合，產生甲烷分子。
在實驗室中揭示了這個甲烷生成過程之後，研究團隊產生了一個大膽而有趣的想法。在生命體內中，這些原料並不罕見（例如，細胞中也在持續產生、釋放包括過氧化氫在內的ROS，而自由鐵和甲基供體也是常見的代謝產物），並且細胞環境也與上述實驗室反應條件相近。那麼，這個產甲烷的過程同樣可以在生物體內發生嗎？
在最新研究中，研究團隊首先利用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）來檢驗這個猜想。這種細菌的生命周期包含了兩種狀態：休眠期和生殖生長期，因此可以用作對照，研究新陳代謝過程能否生成甲烷。
實驗結果十分清晰：在含有甲基供體二甲基亞碸（DMSO）的培養基中，不需要任何酶的參與，處於生殖生長期、代謝旺盛的枯草芽孢杆菌能持續生成甲烷，而休眠期的細菌則不會生產甲烷。
隨後的控制變量實驗顯示，這些細菌可獲取的甲基供體、自由體的含量，對於最終的甲烷產量也起到了明顯的調控作用。尤其值得注意的是，除了更強的新陳代謝，出現氧化應激時，即ROS過剩導致細胞無法維持氧化還原平衡，細菌的甲烷產量也隨之上漲。
進一步的實驗證實，能通過這個過程產生甲烷的不僅有枯草芽孢杆菌。從之前被認為不產甲烷的其他古菌，到酵母、黏菌等真菌；從代表植物界的葡萄，再到人源的細胞系（人胚腎細胞），都能在DMSO的培養基中生成甲烷，並且在氧化應激條件下甲烷產量更高。因此研究認為，或許所有進行新陳代謝的生命體，都能通過這個普適的過程，在細胞內持續產生甲烷。
如果這個猜想最終得到證實，那麼一系列生命活動都有望得到新的解釋。在生物體內，新陳代謝產生的ROS大量堆積時，可能對DNA、RNA和蛋白質等重要分子造成損傷。而這個新發現的過程，或許是消除過量ROS的一種途徑。
論文通訊作者之一，海德堡大學的Frank Keppler教授表示：「我們的發現將成為理解需氧甲烷生成的裏程碑，這個通用機制還將解釋之前在植物身上觀察到的現象。」
值得注意的是，在之前的研究中，即使是對於同一種生物，不同個體的甲烷產量也可能有幾個數量級的差異。而最新研究揭示的機制，或許能解釋這個現象——那些極高的甲烷產量，可能是因為個體正進行著活躍的代謝活動。
可以說，這個令人意外的發現在廣闊的領域都具有重大意義。醫學領域，細胞中和通過組織擴散的過量甲烷可以指示細胞壓力、氧化還原不平衡等。「呼吸中甲烷的波動能反映氧化應激程度，或是指向免疫系統。」 Keppler教授說。而在氣候領域，通過這個過程產生的甲烷是否會對全球氣候產生影響，同樣尚不清晰。但對我們來說，足夠清晰的是，這個關於常見氣體的發現將為我們理解自身以及整個世界，打開一扇全新的窗口。
封面圖來源：123RF
參考資料：
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Methane formation driven by reactive oxygen species across all living organisms。
Nature （2022）。
https：//doi.org/10.1038/s41586-022-04511-9
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<3> Althoff， F。， Benzing， K。， Comba， P。
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Abiotic methanogenesis from organosulphur compounds under ambient conditions。
Nat Commun （2014）。
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