產(chǎn)甲烷古細菌的特點

1、產(chǎn)甲烷古細菌的特點摘要 ： 產(chǎn)甲烷菌是重要的環(huán)境微生物，在自然界的破素循環(huán)中起重要作用。迄今已有5種產(chǎn)甲烷菌基因組測序完成?；蚪M信息使人們對產(chǎn)甲烷菌的細胞結(jié)構(gòu)、進化、代謝及環(huán)境適應(yīng)性有了更深的理解。目前已知的甲烷生物合成途徑有3種，它們以乙酸、甲基化合物、氮/二氧化碳為起始，通過不同的反應(yīng)途徑的催化下最終形成甲烷。本文對產(chǎn)甲烷古菌的基因組，代謝途徑以及對環(huán)境的適應(yīng)性等特點進行論述。關(guān)鍵詞 ： 產(chǎn)甲烷菌 分類基因組 甲烷合成機制 適應(yīng)性The characteristics of methanogenic bacteriaAbstract ：Methanogenic bacteria is a

2、n important environmental microbiology, factors in the natural cycle of broken play an important role. So far, five kinds of methanogenic bacteria genomes sequenced. Genomic information to enable people to methanogenic bacteria cell structure, evolution, metabolism, and a deeper understanding of env

3、ironmental adaptation. Methane biosynthesis are now known to have three kinds of ways, they are acetic acid, methyl compounds, nitrogen / carbon dioxide as the starting, by means of different reactions catalyzed by the final formation of methane. In this paper, methanogenic archaea genomes, metaboli

4、c pathways and the environmental characteristics of adaptability discussedKey words：Methanogens Genomic classification of adaptive mechanism of methane synthesis古細菌是一類生活在今天的生物，被稱為活化石細菌，他們并不是細菌，因為他們有著與細菌不同的遺傳基因。他們是一類獨立的生物。生物界被劃分為真核生物，細菌，古細菌三大類，只是因為他們是地球上最早出現(xiàn)的生物，并且在形態(tài)上跟細菌差不多，所以人們把他們稱為古細菌。古細菌主要包括產(chǎn)甲烷菌，極

5、端嗜熱菌，極端嗜鹽菌等。其中的產(chǎn)甲烷菌是一類能夠?qū)o機或有機化合物厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳的古細菌，它們生活在各種自然環(huán)境下，甚至在一些極端環(huán)境中。產(chǎn)甲烷菌是厭氧發(fā)酵過程的最后一個成員，甲烷的生物合成是自然界碳素循環(huán)的關(guān)鍵鏈條。1由于產(chǎn)甲烷菌在有機廢棄物處理、沼氣發(fā)酵、動物瘤胃中有機物分解利用等過程中的重要作用，同時甲烷是導(dǎo)致全球變暖的第二大溫室氣體，因此產(chǎn)甲烷菌和甲烷產(chǎn)生機理的研究備受關(guān)注。特別是近幾年對產(chǎn)甲烷菌基因組的研究，使人們從全基因組的角度、進化的角度對甲烷生物合成機理、甲烷菌的生活習(xí)性、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面獲得更深刻的理解。1.產(chǎn)甲烷菌的分類Schnellen第一個從消化污泥中分離純

6、化得到甲酸甲烷桿菌和巴氏甲烷八登球菌。到目前為止，分離鑒定的產(chǎn)甲烷菌已有200多種。2它們存在于沼澤、湖泊、海洋沉積物及瘤胃動物的胃液等自然生態(tài)系統(tǒng)中，也存在于廢水處理、堆肥和污泥消化等非自然的生態(tài)系統(tǒng)中。從分類學(xué)上講，產(chǎn)甲烷菌屬于古細菌的水生古細菌門(EUryarchaeo-ta)，已鑒定的產(chǎn)甲烷菌分屬于3個綱的5個目中。2.產(chǎn)甲烷菌基因組特征基因組和比較基因組的研究為一個物種基因的組織形式和不同物種間基因的進化關(guān)系的分析提供了一種全面的、高通量的分析手段。1996年伊利諾伊大學(xué)完成了第一個產(chǎn)甲烷菌 Methanococcus jannaschii 的基因組測序。3迄今為止已有4個目的5種產(chǎn)

7、甲烷菌完成基因組測序。從已獲得的數(shù)據(jù)來看，產(chǎn)甲烷菌基因組的大小約為1.5Xi06一6X106bp。一般來說，產(chǎn)甲烷菌基因組由一個環(huán)狀染色體組成，但也有一些產(chǎn)甲烷菌除了含一個環(huán)狀染色體外，還含有染色體外元件(extrachromosomal element，ECE)。4比如Methanococcus jannaschii不僅含有1個1664976bp的環(huán)狀染色體，還含有1個58407bp的大ECE和1個16550bp的小ECE。產(chǎn)甲烷菌的G+C含量在30%一65%之間，這種變化與其所生存的環(huán)境相關(guān)。比如嗜熱的MethanoPy-ruskandleriAV19的G+C含量高達62.1%。編碼蛋白的

8、ORF與一個物種的復(fù)雜度相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)甲烷菌的ORF約在1500一5000之間。傳統(tǒng)的分類是在對大量單個微生物進行觀察分析和描述的基礎(chǔ)上，以它們的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化特性和遺傳性等特征的異同為依據(jù)進行的。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，人們利用不同物種間small-subunitribosom習(xí)RNA的同源性進行分類取得了較為滿意的結(jié)果。但這種方法存在著明顯的弊端，當(dāng)環(huán)境壓力使得某物種核酸中G+C含量變化時，分析結(jié)果會有較大偏差。隨著多個物種全基因組測序的完成，使人們可以用全基因組信息研究物種的進化、基因的垂直進化和水平遷移。5在產(chǎn)甲烷菌之間基因的“重疊”性很高，發(fā)現(xiàn)一些基因簇只在產(chǎn)甲烷菌中出現(xiàn)而不在其它古細

9、菌中出現(xiàn)，同樣也發(fā)現(xiàn)一些其它微生物中共有的基因簇在產(chǎn)甲烷菌中找不到痕跡。在比較中發(fā)現(xiàn)M.thermoautotrophicum基因組中缺少物種間基因的水平轉(zhuǎn)移，這可能是由于M.thermoautotrophicum生存在2000m深的海底且溫度高達80一100度的獨特環(huán)境中。不同基因組間基因順序的比較可以衡量2個物種間的親緣關(guān)系，也能提示基因之間功能的關(guān)聯(lián)性。利用核糖體蛋白同源性構(gòu)建進化樹是目前認為最可靠的進化分析方法。63產(chǎn)甲烷菌代謝特征3.1產(chǎn)甲烷菌甚本代謝途徑產(chǎn)甲烷菌生活在厭氧條件下，它們通過甲烷的生物合成形成維持細胞生存所需的能量。在產(chǎn)甲烷菌中存在原核細胞和真核細胞所共有的糖酵解途徑(

10、EMP)、三狡酸循環(huán)(TCA)、氨基酸和核昔酸代謝。但一些基本所需的酶在產(chǎn)甲烷菌中未被確定，如在Methanopyrus kandleri AV19的TCA循環(huán)中缺乏將兩分子丙酮酸縮合成一分子六碳三狡酸所需的酶。在M.kandleri,M.thermoa和M.jannaschii中均不存在由丙酮酸或磷酸烯醇式丙酮酸形成蘋果酸所需的酶。7產(chǎn)甲烷菌是自養(yǎng)型的生物，它能利用環(huán)境中的化學(xué)能。因而產(chǎn)甲烷菌中發(fā)現(xiàn)了許多無機物進人細胞所需的通道蛋白。如Na+，K+，Ca+，Cu2+,Fe2+,Fe3+,Cl-,Co2+等離子;以及亞砷酸、磷酸、硫酸、硝酸等無機酸。產(chǎn)甲烷菌還具備運輸乳酸、六碳三狡酸、六碳二狡

11、酸等有機物進人細胞的轉(zhuǎn)運蛋白。產(chǎn)甲烷菌是目前唯一知道的可固氮古細菌，該過程由固氮酶和固氮酶還原酶兩個金屬蛋白形成的固氮酶復(fù)合體完成。產(chǎn)甲烷菌能夠吸收環(huán)境中的硫酸根，通過一系列的酶代謝最終形成硫化氫。83.2甲烷生物合成途徑甲烷生物合成過程，如甲醇、甲基胺、甲基硫等。3種途徑最終都形成甲基輔酶M甲基輔酶M在甲基輔酶M還原酶I(MRI)和甲基輔酶M還原酶H(MRH)的催化下最終形成甲烷。其中乙酸為底物的甲烷合成占自然界甲烷合成的60%以上，以氫和二氧化碳為底物的甲烷合成的30%。在此過程中有多種輔酶參與反應(yīng)，如:甲酞甲基吠喃(MFR)、甲酞四氫甲基喋嶺(THMP)、輔酶M(HSCoM)、輔酶F42

12、0(CoF420)、輔酶F430(CoF430)和輔因子B(HS-HTP)。9如前所述，甲烷形成的過程伴隨著細胞膜內(nèi)外化學(xué)梯度的形成，這種梯度的形成過程類似于以氧為末端電子受體的氧化磷酸化和電子傳遞鏈的偶聯(lián)。在化學(xué)梯度形成過程中，Na+離子梯度的形成是由鈉離子泵-methyl-THMP:HSCoM甲基轉(zhuǎn)移酶實現(xiàn)的，H+梯度的形成是由位于細胞膜上的HDR實現(xiàn)的，HDR催化與HTP一SS一CoM的還原偶聯(lián)的氫的氧化。形成的Na+和H十梯度最終驅(qū)動位于細胞膜上的Al，P合成酶產(chǎn)生ATP。由乙酸生成甲烷的代謝途徑中乙酸首先磷酸化生成乙酞磷酸，乙酞磷酸再轉(zhuǎn)化為乙酞輔酶A，乙酞輔酶A在乙酞輔酶A脫梭酶(A

13、CDS)的催化下形成1分子甲基四氫甲基喋吟(methyl一H4SPt)和1分子一氧化碳，一氧化碳在一氧化碳脫氫酶的催化下脫氫形成CO2，同時形成還原型的鐵氧環(huán)蛋白。還原型的鐵氧環(huán)蛋白通過細胞膜的細胞色素蛋白將氫質(zhì)子泵出細胞膜形成質(zhì)膜內(nèi)外的質(zhì)子梯度差，甲基四氫甲基喋吟在methyl一THMP:HS一CoM甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下將甲基轉(zhuǎn)移給HS一偽M，形成甲基輔酶M，同時將Na+泵出細胞膜。以二氧化碳和氫為原料的合成途徑通過一系列的電子傳遞過程形成甲基輔酶M，后續(xù)的步驟和乙酸途徑相同。以甲基化合物為底物的甲烷合成過程都要將甲基轉(zhuǎn)移給HS一CoM，此過程需要2種酶甲基轉(zhuǎn)移酶1(MT1)和甲基轉(zhuǎn)移酶2(M

14、TZ)，不同的底物需要不同的MTI和M代，已知的MTI、類鉆琳蛋白(eorrinoidprotein)和MTZ各有十多種。一般而言，一種產(chǎn)甲烷菌只具有一種甲烷合成途徑，但具有多細胞結(jié)構(gòu)的甲烷八疊球菌同時含有3種甲烷合成途徑，而且至少可以利用9種甲烷合成的底物。104.產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境的適應(yīng)性的特征產(chǎn)甲烷菌生活在各種厭氧環(huán)境中，甚至在一些極端環(huán)境中，這種適應(yīng)性是長期進化的結(jié)果。同時產(chǎn)甲烷菌中存在各種機制以調(diào)節(jié)自身適應(yīng)環(huán)境。比如甲烷八疊球菌，它們生活在淡水、海底沉積物、腐敗的葉子、土壤、油井、下水道污物、動物排泄物等環(huán)境中。11甲烷八疊球菌基因組中含有大量表面蛋白基因，可以形成具有保護作用的英膜它是

15、古細菌中唯一可以形成多細胞結(jié)構(gòu)的物種，因此提供了一個良好的用于研究多細胞形成機制的模型。在不同的生長階段和不同的環(huán)境條件下甲烷八疊球菌處于不同的細胞形態(tài)。在脅迫環(huán)境下，多細胞結(jié)構(gòu)形成對提高適應(yīng)環(huán)境能力起到關(guān)鍵作用。產(chǎn)甲烷菌和其它物種一樣具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的二元調(diào)控系統(tǒng)，但它及其它古細菌的二元調(diào)控系統(tǒng)與已經(jīng)研究清楚的細菌的二元調(diào)控系統(tǒng)有很大不同。細菌的二元系統(tǒng)由組氨酸激酶和響應(yīng)調(diào)控蛋白按1:1的比例組成，而且響應(yīng)調(diào)控蛋白一般具有一個效應(yīng)域(effector domain)。12在產(chǎn)甲烷菌及其它古細菌基因組中的響應(yīng)調(diào)控蛋白一般含有響應(yīng)調(diào)控域，而不具備和細菌類同的效應(yīng)域。這暗示產(chǎn)甲烷菌可能存在一種新的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制。盡管還未觀察到任何甲烷八疊球菌的運動性，但在其基因組中發(fā)現(xiàn)了一個完整的鞭毛基因簇和兩個完整的趨化性基因簇，這些基因簇的存在也暗示了產(chǎn)甲烷菌可能會通過運動和趨化性適應(yīng)環(huán)境。13產(chǎn)甲烷菌是厭氧發(fā)酵過程中最后一個環(huán)節(jié)，在自然界碳素循環(huán)中扮演重要角色。由于產(chǎn)甲烷菌在廢棄物厭氧消化、高濃度有機廢水處理、沼氣發(fā)酵及反當(dāng)動物瘤胃中食物消化等過程中起關(guān)鍵性作用，也