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藥明康德內(nèi)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?？茖W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、氫氣等簡單反應物產(chǎn)生甲烷。

進入21世紀后，人們逐漸意識到，生物成因的甲烷形成過程遠比這個故事復雜。能產(chǎn)生甲烷的不止是那些產(chǎn)甲烷古菌，反應條件也不限于缺氧環(huán)境。從藻類、藍細菌到多細胞的真菌、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，卻始終是個未知數(shù)。

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(nèi)，所有生物都是甲烷的生產(chǎn)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。

整個反應過程也不復雜：首先，ROS（該反應使用的是過氧化氫）和二價鐵離子反應，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，形成甲基自由基（·CH₃）；最后，甲基自由基和氫自由基（·H）結合，產(chǎn)生甲烷分子。

在實驗室中揭示了這個甲烷生成過程之后，研究團隊產(chǎn)生了一個大膽而有趣的想法。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），并且細胞環(huán)境也與上述實驗室反應條件相近。那么， 這個產(chǎn)甲烷的過程同樣可以在生物體內(nèi)發(fā)生嗎？

▲這個無需酶參與而產(chǎn)生甲烷的反應，在細胞內(nèi)的流程示意 （圖片來源：參考資料[2]）

在最新研究中，研究團隊首先利用枯草芽孢桿菌（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(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。

實驗結果十分清晰：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，而休眠期的細菌則不會生產(chǎn)甲烷。

隨后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，除了更強的新陳代謝，出現(xiàn)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(chǎn)量也隨之上漲。

進一步的實驗證實，能通過這個過程產(chǎn)生甲烷的不僅有枯草芽孢桿菌。從之前被認為不產(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，再到人源的細胞系（人胚腎細胞），都能在DMSO的培養(yǎng)基中生成甲烷，并且在氧化應激條件下甲烷產(chǎn)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(nèi)持續(xù)產(chǎn)生甲烷。

▲在實驗室中，不同生物細胞產(chǎn)生甲烷的濃度 （圖片來源：參考資料[1]）

如果這個猜想最終得到證實，那么一系列生命活動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，可能對DNA、RNA和蛋白質(zhì)等重要分子造成損傷。而這個新發(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，這個通用機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，不同個體的甲烷產(chǎn)量也可能有幾個數(shù)量級的差異。而最新研究揭示的機制，或許能解釋這個現(xiàn)象——那些極高的甲烷產(chǎn)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(fā)現(xiàn)在廣闊的領域都具有重大意義。醫(yī)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?！昂粑屑淄榈牟▌幽芊从逞趸瘧こ潭?，或是指向免疫系統(tǒng)?！?Keppler教授說。而在氣候領域，通過這個過程產(chǎn)生的甲烷是否會對全球氣候產(chǎn)生影響，同樣尚不清晰。但對我們來說，足夠清晰的是，這個關于常見氣體的發(fā)現(xiàn)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：

[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).