藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯
作為結(jié)構(gòu)最簡單的有機(jī)物，甲烷也是一種強(qiáng)效溫室氣體——其溫室效應(yīng)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(xué)家早已揭示了這些甲烷的來源：一類古菌可以在缺氧環(huán)境中，在酶的參與下利用二氧化碳、氫氣等簡單反應(yīng)物產(chǎn)生甲烷。
進(jìn)入21世紀(jì)后，人們逐漸意識到，生物成因的甲烷形成過程遠(yuǎn)比這個(gè)故事復(fù)雜。能產(chǎn)生甲烷的不止是那些產(chǎn)甲烷古菌，反應(yīng)條件也不限于缺氧環(huán)境。從藻類、藍(lán)細(xì)菌到多細(xì)胞的真菌、植物，越來越多的證據(jù)表明，多種需氧生物都能產(chǎn)生甲烷。但這些生物究竟是如何產(chǎn)甲烷的，卻始終是個(gè)未知數(shù)。
在本周《自然》雜志的一項(xiàng)最新研究中，由德國海德堡大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)顛覆性的觀點(diǎn)： 包括人類在內(nèi)，所有生物都是甲烷的生產(chǎn)者。 這個(gè)結(jié)論不僅讓我們重新認(rèn)識甲烷在生命過程中的作用，還將為多個(gè)領(lǐng)域帶來全新見解。
早在8年前，這支團(tuán)隊(duì)就在一篇《自然·通訊》論文中，描述了一個(gè)通過非生物途徑三步生成甲烷的過程。簡單地說，這個(gè)反應(yīng)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(gè)反應(yīng)過程也不復(fù)雜：首先，ROS（該反應(yīng)使用的是過氧化氫）和二價(jià)鐵離子反應(yīng)，產(chǎn)生高度還原的羥基自由基（·OH）；隨后，羥基自由基與甲基供體反應(yīng)，形成甲基自由基（·CH3）；最后，甲基自由基和氫自由基（·H）結(jié)合，產(chǎn)生甲烷分子。
在實(shí)驗(yàn)室中揭示了這個(gè)甲烷生成過程之后，研究團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生了一個(gè)大膽而有趣的想法。在生命體內(nèi)中，這些原料并不罕見（例如，細(xì)胞中也在持續(xù)產(chǎn)生、釋放包括過氧化氫在內(nèi)的ROS，而自由鐵和甲基供體也是常見的代謝產(chǎn)物），并且細(xì)胞環(huán)境也與上述實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)條件相近。那么， 這個(gè)產(chǎn)甲烷的過程同樣可以在生物體內(nèi)發(fā)生嗎？
![▲這個(gè)無需酶參與而產(chǎn)生甲烷的反應(yīng)，在細(xì)胞內(nèi)的流程示意 （圖片來源：參考資料[2]）](https://u.dg165.com/uploads/202203/6158a58dfc1e694.png)
▲這個(gè)無需酶參與而產(chǎn)生甲烷的反應(yīng)，在細(xì)胞內(nèi)的流程示意 （圖片來源：參考資料[2]）
在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先利用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）來檢驗(yàn)這個(gè)猜想。這種細(xì)菌的生命周期包含了兩種狀態(tài)：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(shí)驗(yàn)結(jié)果十分清晰：在含有甲基供體二甲基亞砜（DMSO）的培養(yǎng)基中，不需要任何酶的參與， 處于生殖生長期、代謝旺盛的枯草芽孢桿菌能持續(xù)生成甲烷，而休眠期的細(xì)菌則不會(huì)生產(chǎn)甲烷。
隨后的控制變量實(shí)驗(yàn)顯示，這些細(xì)菌可獲取的甲基供體、自由體的含量，對于最終的甲烷產(chǎn)量也起到了明顯的調(diào)控作用。尤其值得注意的是，除了更強(qiáng)的新陳代謝，出現(xiàn)氧化應(yīng)激時(shí)，即ROS過剩導(dǎo)致細(xì)胞無法維持氧化還原平衡，細(xì)菌的甲烷產(chǎn)量也隨之上漲。
進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，能通過這個(gè)過程產(chǎn)生甲烷的不僅有枯草芽孢桿菌。從之前被認(rèn)為不產(chǎn)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(xì)胞系（人胚腎細(xì)胞），都能在DMSO的培養(yǎng)基中生成甲烷，并且在氧化應(yīng)激條件下甲烷產(chǎn)量更高。因此研究認(rèn)為， 或許所有進(jìn)行新陳代謝的生命體，都能通過這個(gè)普適的過程，在細(xì)胞內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生甲烷。
![▲在實(shí)驗(yàn)室中，不同生物細(xì)胞產(chǎn)生甲烷的濃度 （圖片來源：參考資料[1]）](https://u.dg165.com/uploads/202203/e1b8582e13a40cc.png)
▲在實(shí)驗(yàn)室中，不同生物細(xì)胞產(chǎn)生甲烷的濃度 （圖片來源：參考資料[1]）
如果這個(gè)猜想最終得到證實(shí)，那么一系列生命活動(dòng)都有望得到新的解釋。在生物體內(nèi)，新陳代謝產(chǎn)生的ROS大量堆積時(shí)，可能對DNA、RNA和蛋白質(zhì)等重要分子造成損傷。而這個(gè)新發(fā)現(xiàn)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(xué)的Frank Keppler教授表示：“我們的發(fā)現(xiàn)將成為理解需氧甲烷生成的里程碑，這個(gè)通用機(jī)制還將解釋之前在植物身上觀察到的現(xiàn)象?！?/p>
值得注意的是，在之前的研究中，即使是對于同一種生物，不同個(gè)體的甲烷產(chǎn)量也可能有幾個(gè)數(shù)量級的差異。而最新研究揭示的機(jī)制，或許能解釋這個(gè)現(xiàn)象——那些極高的甲烷產(chǎn)量，可能是因?yàn)閭€(gè)體正進(jìn)行著活躍的代謝活動(dòng)。
可以說，這個(gè)令人意外的發(fā)現(xiàn)在廣闊的領(lǐng)域都具有重大意義。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，細(xì)胞中和通過組織擴(kuò)散的過量甲烷可以指示細(xì)胞壓力、氧化還原不平衡等?！昂粑屑淄榈牟▌?dòng)能反映氧化應(yīng)激程度，或是指向免疫系統(tǒng)。” Keppler教授說。而在氣候領(lǐng)域，通過這個(gè)過程產(chǎn)生的甲烷是否會(huì)對全球氣候產(chǎn)生影響，同樣尚不清晰。但對我們來說，足夠清晰的是，這個(gè)關(guān)于常見氣體的發(fā)現(xiàn)將為我們理解自身以及整個(gè)世界，打開一扇全新的窗口。
封面圖來源：123RF
參考資料：
[1] Ernst, L., Steinfeld, B., Barayeu, U. et al. Methane formation driven by reactive oxygen species across all living organisms. Nature (2022).
[2] Methane might be made by all living organisms. Retrieved Mar. 9, 2022
[3] Althoff, F., Benzing, K., Comba, P. et al. Abiotic methanogenesis from organosulphur compounds under ambient conditions. Nat Commun (2014).