清除硫的细菌可能是生物制造塑料常用成分的关键

科学家发现，涝渍土壤中的微生物如何产生大量的乙烯，这会对农作物和柳枝switch等生物能源原料产生不利影响。这些新知识可用于开发更健康的农作物的治疗方法。

能源部的橡树岭国家实验室和俄亥俄州立大学的科学家发现了一条产生乙烯的新微生物途径，这为生物制造塑料，胶粘剂，冷却剂和其他日常产品的通用成分提供了潜在途径。

这项发现发表在《科学》杂志上，阐明了关于在厌氧或缺氧的土壤中如何生产乙烯的一个长期谜团，并指出了防止高水平乙烯危害作物的潜在途径。这项研究还概述了细菌产生甲烷（一种强大的温室气体）的一种以前未知的方式。

该研究小组发现，乙烯和甲烷是细菌过程的副产品，该过程会产生蛋氨酸（蛋氨酸是构建蛋白质所必需的氨基酸）。当环境厌氧且低硫时，细菌被迫从细胞废物中清除硫，从而触发了这一新途径。

俄亥俄州立大学的研究科学家贾斯汀·诺斯说：“大约十年来，研究人员研究了通过在含氧环境中发生的另一种机制来乙烯的生物生产。”“扩大工艺规模存在技术障碍，因为工业规模混合的乙烯和氧气可能会爆炸性增长。这种新的厌氧途径消除了这一障碍，但在扩大规模方面仍有工作要做。”

该研究始于俄亥俄州立大学，罗伯特·塔比塔（Robert Tabita）领导了一项正在进行的有关光合细菌中碳固定以及氮和硫代谢的研究。作为Tabita小组的一部分，North决定测量在缺乏硫的情况下，红景天螺旋藻和同一个家族中其他微生物消耗和释放的气体。他惊讶地发现乙烯。

诺斯说：“我们知道这些细菌会产生氢气并消耗二氧化碳。”“但是，瞧瞧，他们正在生产大量的乙烯气体。而且我们认为，那很奇怪。”

诺斯和他在俄亥俄州的同事研究了这种新的代谢过程，该过程使用放射性化合物跟踪微生物的前体以及蛋氨酸和乙烯的产生。但是需要一种不同类型的分析生物技术来在途径与驱动该途径的称为酶的蛋白质之间建立关键的联系。

ORNL的Bob Hettich使用一种专门的质谱技术来表征微生物系统的蛋白质组。

Tabita与ORNL生物质谱小组负责人Bob Hettich取得了联系，对在两种不同情况下这些光合细菌中存在的蛋白质组（蛋白质组）进行了比较分析：低硫，产乙烯条件和高硫。 -硫，不产生乙烯的条件。海蒂诗（Hettich）的小组开发了一种使用质谱法表征微生物系统蛋白质组的前沿方法，该技术可以准确地测量不同分子的质量和断裂途径，并提供有关结构和组成的详细信息。Hettich和ORNL博士后研究员熊伟力（Weili Xiong）从低硫和高硫系统中鉴定出数千种蛋白质，并分析了它们的相对丰度，从而确定了一些蛋白质以进一步表征。

“我们发现了惊人的差异，”海蒂诗说。数据显示，类似一类固氮酶的蛋白质在低硫，产生乙烯的样品中的含量几乎高出50倍。当硫缺乏时，一些与铁和硫相关的蛋白质也大量增加，这为硫代谢提供了可能的新途径。

这些数据令人惊讶，因为类似固氮酶的蛋白质被基因注释中的固氮酶分组，这些固氮酶具有相似的DNA序列，并且已知能够将大气中的氮转化为氨。这种固氮过程对地球上的生命至关重要，并且已经得到了广泛的研究。给定名称，这些类似于固氮酶的蛋白质并不是科学家可能猜想在硫代谢中起作用的蛋白质。

海蒂希说：“有时候，基因或基因家族的命名或注释可能会产生误导。”“这个名字暗示了主要功能。实际上，该基因可能具有辅助功能，可以说是一项夜间工作，或者实际上可能在做完全不同的事情。”

“但是数据就是数据，”他继续说道。“如果您正确地并且以不可知论的方式运行测量，而您不知道先验的答案，那么数据将揭示出真正的联系。”

熊伟力（Weili Xiong）在ORNL担任博士后研究员期间曾参与质谱研究。

利用这些重要的蛋白质组数据，科罗拉多州立大学和西北太平洋国家实验室的俄亥俄州立研究人员及其同事进行了一系列实验，操纵细菌基因组以包括或去除Rru_A0793-Rru_A0796基因簇。该基因的去除和替代功能已关闭，并且像开关一样开启了乙烯的生产，这证实了该基因及其编码的酶对于该代谢途径至关重要。

类固氮酶会裂解碳-硫键，将2-（甲硫基）乙醇还原为制造蛋氨酸的前体。该途径产生乙烯作为副产物。研究小组发现，如果将硫的来源改变为最易挥发的挥发性有机硫化合物二甲基硫，细菌会在其蛋氨酸途径中使用它，并产生副产物甲烷。

除了潜在的生产用于塑料和其他工业产品的乙烯的生物方法外，这些发现还可以为在涝渍，厌氧的土壤中对作物进行处理提供参考，以防止因乙烯过量而造成的损害。适量的乙烯是一种重要的植物激素，可帮助植物生长，发育叶片和根部并成熟果实。这项研究提出了许多新的科学问题，包括该途径是否参与植物与微生物之间的相互作用。

诺斯说：“这一发现引出了新的询问领域，这很令人兴奋，这实际上也可能对农业和其他农作物也产生一些实质性的好处。”

参考：Justin A. North，Adrienne B. Narrowe，Weili Xiong，Kathryn M. Byerly，Zhaoqi Zhao，Sarah J. Young，Sridvidya Murali，John A. Wildenthal所著的“类似于氮酶的酶系统催化蛋氨酸，乙烯和甲烷的生物发生”。 ，威廉·R·加农（William R.Cannon），凯利·克莱顿（Kelly C.Wrighton），罗伯特·L·海蒂奇（Robert L.Hettich）和罗伯·塔比塔（F.
10.1126 / science.abb6310

在美国能源部科学办公室的支持下，俄亥俄州立大学ORNL的研究和美国能源部科学办公室在PNNL的用户机构环境分子科学实验室进行了研究。科罗拉多州立大学的工作得到了美国国家癌症研究所和美国国家科学基金会的支持。