تشکیل متان از ترکیبات آلی پیچیده اغلب یک تلاش گروهی است. یک نمونه کلاسیک به سال 1967 برمی گردد که Methanobacillus omelianskiiکه در ابتدا تصور می شد یک میکروارگانیسم منفرد است که قادر به تبدیل اتانول به متان است، نشان داده شد که از دو ارگانیسم متابولیکی وابسته به هم تشکیل شده است. یکی اتانول را به استات و هیدروژن اکسید می کند، در حالی که دیگری هیدروژن مصرف می کند و متان تولید می کند.1. این نوع همکاری در حال حاضر به عنوان syntrophy شناخته می شود.
سنتروفی به ویژه در تبدیل بی هوازی ترکیبات آلی به متان اهمیت دارد. در این فرآیندها، تجزیه سوبسترا توسط یک میکروارگانیسم اغلب از نظر انرژی به فعالیت میکروارگانیسم دیگر وابسته است. با حذف محصولات متابولیک، شریک به حفظ واکنش کلی از نظر ترمودینامیکی مطلوب کمک می کند و به هر دو موجود زنده اجازه می دهد تا از طریق همکاری متابولیک نزدیک رشد کنند. با این حال، وقتی به عنوان یک کل در نظر گرفته شود، تبدیل متان می تواند از نظر انرژی مطلوب باشد. اگر واکنش کامل می تواند انرژی لازم برای رشد میکروبی را فراهم کند، چرا باید تخریب بستر و متانوژنز توسط میکروارگانیسم های مختلف انجام شود؟ آیا یک میکروارگانیسم می تواند این واکنش ها را ترکیب کند و انرژی را در یک سلول حفظ کند؟ این به یک سوال دیرینه برای گروه ما تبدیل شده است.
از تخریب آلکان تا یک سوال گسترده تر
یک سرنخ مهم از تجزیه و تحلیل های مبتنی بر ژنوم بدست می آید. در سال 2019، یک مطالعه ترکیبی از تجزیه و تحلیل ژنومی با مشاهدات محیطی نشان داد که یک میکروارگانیسم “نامزد Methanoliparia” ممکن است دارای ماشین آلات تجزیه آلکان با زنجیره بلند و مسیرهای متانوژنز باشد.2. این احتمال را افزایش داد که تجزیه آلکان و تشکیل متان می تواند در یک سلول واحد ادغام شود، اگرچه در این مرحله این ایده عمدتاً یک پیش بینی ژنومی باقی می ماند.
تقریباً در همان زمان، نمونه ای از یک مخزن نفتی حاوی نامزد Methanoliparia، به ما این فرصت را می دهد که این ایده را به صورت تجربی آزمایش کنیم. از طریق کشت، تجزیه و تحلیل متابولیک، و آزمایش‌های ردیاب ایزوتوپی، ما نشان دادیم که یک متانوژن می‌تواند مستقیماً آلکان‌های زنجیره بلند را به متان تبدیل کند، فرآیندی که آن را متانوژنز آلکیلوتروفیک می‌نامیم.3.
این به طور طبیعی ما را به طرح یک سوال گسترده تر سوق داد: اگر متانوژن ها بتوانند مستقیماً از آلکان های با زنجیره بلند استفاده کنند، چه ترکیبات آلی پیچیده دیگری می توانند بدون شریک سنتروفی به متان تبدیل شوند؟
یکی از اولین احتمالاتی که ما دنبال کردیم متابولیسم اسید آمینه بود. تجزیه و تحلیل ژنوم اعضای شناسایی شده از باستان شناسی با مسیرهای بالقوه مرتبط با استفاده از اسید آمینه و تشکیل متان، و دستیار تحقیقاتی یو یی شروع به بررسی این امکان با دانشجوی فارغ التحصیل Zuorong Cao کرد. آنها نمونه‌ها را از میدان نفتی Shengli جمع‌آوری کردند و شروع به غنی‌سازی فرهنگ‌های Archaeoglobi کردند. آزمایش های اولیه از کشت های غنی شده استفاده کردند، اما هیچ تخریب متقاعد کننده ای از اسیدهای آمینه به متان مشاهده نشد. با این حال، از آنجایی که ارگانیسم‌های زیادی وجود داشتند، یک نتیجه منفی نمی‌تواند به ما بگوید که آیا میکروارگانیسم هدف خود فاقد این توانایی است یا خیر. برای پاسخ مستقیم به این موضوع، به فرهنگ ناب نیاز داشتیم.
میدان نفتی شنلی
بنابراین، یو یی و زورونگ کائو کار کشت و جداسازی را تقریباً یک تا دو سال ادامه دادند و در نهایت سویه‌ای را که بعداً نام بردیم به دست آوردند. Methanoglobus dolicholipophagus AA-75. در نهایت، می‌توانیم مستقیماً فرضیه اصلی را آزمایش کنیم. پاسخ ناامیدکننده بود: حتی در کشت خالص، AA-75 متانوژنز وابسته به اسید آمینه را که انگیزه جداسازی آن بود، نشان نداد. با این حال، ما اکنون چیز ارزشمندی در دست داریم: فرهنگ خالص متانوژنی که قبلاً کشت نشده بود. بنابراین ما یک سوال متفاوت پرسیدیم: اگر AA-75 آنچه را که ما انتظار داشتیم انجام نمی داد، در واقع چه کاری می توانست انجام دهد؟
تصاویر میکروسکوپی اسکن سویه AA-75
فرضیه دوم
یو یی و هنگ وو دینگ به ژنوم بازگشتند و پتانسیل متابولیک AA-75 را به طور گسترده تری بررسی کردند. یک ویژگی توجه آنها را جلب کرد: مسیرهای رمزگذاری شده AA-75 با پتانسیل پیوند تخریب اسیدهای چرب به متانوژنز. این بلافاصله ما را به علاقه اولیه خود به سنتروفی بازگرداند. تبدیل اسیدهای چرب با زنجیره بلند به متان یک مثال کلاسیک از متابولیسم سنتروفی است. آیا AA-75 می تواند این عملکردها را در یک سلول واحد ادغام کند؟
این بار نتیجه متفاوت بود: AA-75 متان را از اسیدهای چرب اشباع و غیراشباع تولید کرد. سپس برای تایید اینکه کربن اسید چرب به متان منتقل شده است از استئارات نشاندار ایزوتوپی استفاده کردیم. از آنجایی که AA-75 یک کشت خالص بود، می‌توانیم تجزیه اسیدهای چرب و متانوژنز را به یک میکروارگانیسم منفرد بدون استناد به شریک سنتروفی نسبت دهیم. برای ما، این پیشرفت مفهومی اصلی بود: فرآیندی که به طور کلاسیک با همکاری سنتروفی مرتبط است، می تواند در یک سلول واحد ادغام شود.
دامنه متابولیک متانوژن ها چقدر است؟
متانوژن‌ها مدت‌هاست که به عنوان متخصص متابولیک در نظر گرفته می‌شوند که به مجموعه نسبتاً کوچکی از بسترهای ساده محدود شده‌اند. کار ما بر روی آلکان های با زنجیره بلند و اکنون اسیدهای چرب نشان می دهد که این دیدگاه ممکن است تنها کسری از پتانسیل متابولیک آنها را به تصویر بکشد. بنابراین، ما AA-75 را نه به عنوان پایان این داستان، بلکه به عنوان گام دیگری در جهت تعیین حدود متابولیک متانوژن ها می بینیم. ژنوم نشان می دهد که مسیرهای مربوط به استفاده از اسیدهای آمینه، قندها و سایر ترکیبات آلی در دودمان های متانوژنیک مختلف رخ می دهد.4567بنابراین چند ترکیب آلی دیگر را می توان مستقیماً به متان تبدیل کرد؟ فرآیندهایی که در حال حاضر به عنوان سنتروفیک تفسیر می شوند چقدر می توانند در یک سلول واحد ادغام شوند؟
سنتروفی اصل اساسی تشکیل متان بی هوازی است. اما از آنجایی که متانوژن‌های نامتعارف بیشتری به فرهنگ وارد می‌شوند، مرز بین آنچه که یک مشارکت میکروبی نیاز دارد و آنچه که یک سلول می‌تواند به دست آورد، ممکن است انعطاف‌پذیرتر از آن چیزی باشد که فکر می‌کردیم.
