Atmospheric carbon monoxide oxidation is a widespread mechanism supporting microbial survival

大氣中的一氧化碳氧化是支持微生物生存的廣泛機制

來源：The ISME Journal（2019年，第13卷）

 

論文總結

研究通過綜合運用培養和非培養方法，證實了大氣一氧化碳（CO）氧化是一種廣泛存在的微生物生存策略，并揭示了其生理作用、遺傳基礎和生態分布。以下是對論文的詳細總結。

摘要概括

摘要指出，CO是一種普遍存在的大氣痕量氣體，由自然和人為源產生。某些好氧細菌能氧化大氣CO，它們 collectively 每年凈消耗約250太克CO。然而，該過程的生理作用、遺傳基礎和生態分布仍未完全解析。本研究通過以恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）為模型，結合蛋白質組學、轉錄組學、遺傳學和生化分析，證實其I型鉬銅碳 monoxide dehydrogenase（CODH）在有機碳耗盡時表達上調50倍。該酶介導大氣濃度CO的有氧呼吸，雖不支持化能自養生長且對解毒非必需，但顯著增強長期生存，表明大氣CO作為補充能源。系統發育分析表明大氣CO氧化是CODH的古老且廣泛存在的特性，685個細菌和古菌物種編碼同源酶。研究提出了以生存為核心的好氧CO氧化進化模型，結論認為大氣CO與H2類似，是支持好氧異養細菌在營養匱乏或多變環境中持久性的重要能源。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

確認大氣CO氧化在微生物生存中的生理作用，特別是在有機碳限制條件下的能量補充角色。

解析介導大氣CO氧化的遺傳基礎（如CODH的編碼基因coxL）和調控機制。

評估CO氧化在自然界的生態分布和進化歷史，通過基因組、宏基因組和宏轉錄組分析。

 

比較CO與H2氧化的生態重要性，深化對痕量氣體代謝在微生物持久性中作用的理解。

 

研究思路

研究采用多層次實驗策略：

 

模型生物選擇：以遺傳 tractable 的好氧土壤放線菌恥垢分枝桿菌（M. smegmatis）為對象，因其編碼I型CODH且在全球土壤中豐富。

蛋白質組與轉錄組分析：通過鳥槍法蛋白質組學和qRT-PCR，檢測碳限制條件下CODH（CoxL）的表達變化（Fig. 1）。

 

遺傳驗證：構建coxL敲除突變體（ΔcoxL），通過比較野生型和突變體表型驗證CODH功能（Fig. S1）。

生化活性測定：使用活性染色（Fig. 2a）、氣相色譜（GC）測量CO消耗動力學（Fig. 2b-c）、丹麥Unisense氧微電極監測呼吸速率（Fig. 2d-e），評估酶活性和呼吸耦合。

 

生存實驗：通過菌落計數（CFU）評估長期生存能力（Fig. 3c）。

 

系統發育與生態分析：對709個CoxL序列進行系統發育樹構建（Fig. 4a），并分析40個環境的宏基因組/宏轉錄組數據（Fig. 4c），評估基因分布和表達。

 

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖編號）及研究意義：

 

蛋白質組學數據（來源：Fig. 1）

 

數據：碳限制靜止期（72 h）相比指數期，CoxL表達上調54倍；其他痕量氣體代謝酶（如氫酶HhyL）也顯著誘導。

 

研究意義：表明CODH是碳饑餓響應的一部分，M. smegmatis通過擴展代謝 repertoire（包括CO和H2氧化）維持能量狀態。

 

酶活性與動力學數據（來源：Fig. 2）

 

數據：活性染色顯示WT細胞在100% CO下具特異性條帶（~269 kDa），ΔcoxL無；GC測得其將200 ppmv CO降至46±5 ppbv，Km app=350 nM，閾值43 pM；氧電極顯示CO添加使O2消耗速率增加15倍（p<0.0001）。

 

研究意義：遺傳證實I型CODH是大氣CO氧化的唯一酶；動力學參數表明其適中的親和力和慢速作用，適合 scavenging 痕量CO；呼吸刺激證明其作為呼吸脫氫酶的功能。

 

基因表達與生存數據（來源：Fig. 3）

 

數據：qRT-PCR顯示碳限制下coxL轉錄本增加56倍；生長實驗表明ΔcoxL與WT在甘油或20% CO下生長無差異，且無化能自養生長；生存實驗顯示ΔcoxL存活率降低45-50%（4-5周）。

 

研究意義：CODH不支持生長或解毒，但專司生存；表型與氫酶突變體類似，證實大氣氣體作為持久性能源。

 

系統發育與生態分布數據（來源：Fig. 4）

 

數據：系統發育樹顯示CoxL分為5個單系支（如放線菌、變形菌支）；685個物種編碼CoxL，涵蓋16個門；宏轉錄組中coxL轉錄本在好氧環境（如土壤、海水）豐富，表達量常高于氫酶基因hhyL。

 

研究意義：表明大氣CO氧化是古老且廣泛存在的性狀；生態數據支持其在好氧環境中起重要能量補充作用。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

生理角色：大氣CO氧化是碳限制下的生存策略，為微生物提供維持能量，而非支持生長或解毒。

遺傳基礎：I型CODH（coxL編碼）是介導該過程的關鍵酶，受碳饑餓強烈誘導。

生態廣泛性：CO氧化在系統發育和生態上廣泛分布，尤其在好氧土壤和海洋中活躍。

 

進化模型：提出CODH首先進化出高親和力以 scavenge 痕量CO支持生存，隨后某些 lineage 進化出利用高濃度CO生長的能力。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極系統用于測量M. smegmatis的呼吸速率，其研究意義主要體現在：

 

直接呼吸耦合證據：Unisense電極通過實時監測O2濃度變化（Fig. 2d-e），直接證明CO添加刺激了野生型菌株的有氧呼吸（速率增加15倍），而ΔcoxL突變體無響應。這提供了CO氧化與呼吸鏈耦合的直接生化證據，支持CO作為能源的假設。

高分辨率動力學測量：電極的高靈敏度（校準至已知O2標準）允許檢測微小呼吸變化，準確量化CO驅動的O2消耗速率（方法部分描述）。數據歸一化至蛋白濃度，確保了跨基因型比較的可靠性。

技術優勢驗證假設：Unisense系統的實時性和原位測量能力，避免了取樣擾動，使研究者能捕獲瞬時的呼吸響應。沒有這些數據，CO氧化與能量產生的耦合將僅依賴間接證據（如GC測量），難以確立其生理相關性。

 

補充整體結論：呼吸測量數據與GC動力學（Fig. 2b-c）和生存實驗（Fig. 3c）結合，共同構建了完整證據鏈：CO氧化驅動呼吸→增強能量狀態→促進生存。這突出了Unisense技術在解析微生物能量代謝中的關鍵作用。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的核心組成部分，通過提供高精度的呼吸速率測量，它直接證實了CO氧化對能量代謝的貢獻，支撐了大氣CO作為持久性能源的結論。這項技術強調了原位呼吸測量在微生物生理學研究中的價值。