厌氧嗜热菌Parvivirga hydrogeniphila中氧化还原甘氨酸CO2同化途径的丝氨酸变体及其代谢多样性研究

本刊推荐：为解决厌氧微生物碳同化途径多样性认知不足的问题，研究人员聚焦新发现嗜热菌Parvivirga hydrogeniphila，通过基因组学与蛋白质组学分析，证实其采用丝氨酸变体型还原甘氨酸途径（serine variant of reductive glycine pathway）实现自养生长，CO2同化速率达0.357 fmol C/（细胞·天）。该发现拓展了极端环境下微生物碳固定机制的理解，为合成生物学C1代谢改造提供新思路。

在微生物代谢研究的广阔图景中，科学家们已发现八种不同的自养二氧化碳同化途径，其中还原甘氨酸途径（reductive glycine pathway）近年来备受关注。这种途径最初在硫酸盐还原菌Desulfovibrio desulfuricans中发现，其独特的代谢逻辑为理解生命在极端环境下的适应策略提供了新视角。然而，该途径在嗜热微生物中的具体运作机制仍笼罩在迷雾之中，特别是其是否存在变体形式、如何响应高温环境等关键问题亟待解答。

在此背景下，一种名为Parvivirga hydrogeniphila的厌氧嗜热菌进入了研究人员的视野。这种属于放线菌门（Actinomycetota）新目Anaerosomatales的微生物，从耶先图基矿泉井中分离而得，能在47-60°C的高温和pH 6.0-8.5的范围内生长，以氢气或甲酸为电子供体，Fe(III)为电子受体，展现出了非凡的环境适应能力。更引人注目的是，基因组初步分析显示，它可能携带还原甘氨酸途径的关键基因，但缺少经典的甘氨酸还原酶复合体，这暗示着一种新的代谢变体可能正在这里静默运行。

为了揭开这一谜团，研究人员开展了一项多维度的研究，成果最终发表在《Microbiology》期刊上。他们通过放射性同位素示踪技术精确量化了细菌的碳同化能力，并运用高通量蛋白质组学方法深度解析了不同生长条件下的酶表达谱。这些实验犹如一套精密的侦探工具，帮助科学家们在分子层面上追踪碳元素的流动路径，还原出完整的代谢地图。

研究方法上，团队主要采用三类关键技术：一是通过¹⁴C-碳酸氢盐标记的放射性示踪实验，在严格厌氧条件下培养菌体并测定碳同化动力学；二是基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的蛋白质组学分析，对以氢气/水铁矿、甲酸/水铁矿、甲酸/柠檬酸铁为不同能源组合的培养样本进行酶表达检测；三是结合基因组注释系统（RAST）对关键转运蛋白进行功能预测，弥补了标准数据库（NCBI）注释的缺失。所有菌株均来源于耶先图基矿泉水井的分离样本。

生长与碳同化动力学

在甲酸与水铁矿共存的条件下，菌体经过168小时培养达到最大密度5.2×10⁷ cells/mL（图1a）。放射性示踪数据显示，碳同化速率在指数生长期（96小时）达到峰值9.345 μg C L^-1 day^-1，折算为单细胞同化能力为0.357 fmol C cell^-1 day^-1（图1b）。这一数值与已知自养嗜热菌Thermodesulfovibrio autotrophicus（0.193 fmol HCO₃^- cell^-1 day^-1）相当，初步证实了其高效的自养潜力。

蛋白质组揭示代谢路径特征

在以氢气为电子供体的样本中，蛋白质组覆盖度最高（1019个蛋白），检测到还原甘氨酸途径丝氨酸变体的全部关键酶（图2）。其中甲酸脱氢酶（FDH, MCL4079383）占比最高（0.75%），系统发育分析确认其属于钼蝶呤依赖性甲酸脱氢酶家族（图4）。丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT, MCL4078767）表达量为0.12%，而甲酸-四氢叶酸连接酶（FTHFL, MCL4079206）因铁矿物干扰仅检出0.0004%。值得注意的是，甘氨酸还原酶完全缺失，从分子层面排除了经典还原甘氨酸途径的可能性。

途径重构与转运蛋白发现

基于酶表达数据，团队重构出完整代谢网络（图6）：CO₂经FDH还原为甲酸后，通过FTHFL与四氢叶酸（THF）缩合，经亚甲基-THF环化水解酶（MeHFCH）转化为亚甲基-THF。甘氨酸裂解系统（GCS, MCL4079664-7）逆向催化甘氨酸合成，再通过SHMT转化为丝氨酸。丝氨酸最终经丝氨酸氨裂解酶（SAL, MCL4078168-9）生成丙酮酸和氨。此外，通过RAST注释发现NCBI数据库中遗漏的铵转运蛋白（图5），解决了该途径中氮源输入的关键问题。

这项研究首次在放线菌门生物中证实了丝氨酸变体型还原甘氨酸途径的存在，揭示了微生物在极端环境下碳同化策略的多样性。其0.357 fmol C/（细胞·天）的高效固碳能力，为开发高温环境生物固碳技术提供了新候选菌株。更重要的是，该途径通过规避ATP消耗的甘氨酸还原步骤，展现出更高的能量代谢效率，为合成生物学中C1代谢路径的优化设计提供了天然蓝本。随着对这类微生物代谢潜力的持续挖掘，人类对地球碳循环的理解必将迈向新的深度。