重写基础生物学教科书：科学家揭示人类微生物祖先产氢背后的秘密

诸平

A recent study reveals that archaea, ancient microorganisms, utilize hydrogen gas to survive in extreme environments, offering insights for potential biotechnological applications in hydrogen production and a sustainable green economy.

据澳大利亚莫纳什大学（Monash University, Clayton, VIC, Australia）2024年6月20日提供的消息，重写基础生物学教科书:科学家揭示人类微生物祖先产氢背后的秘密 (Rewriting Basic Biology Textbooks: Scientists Reveal Secret Behind Humans’ Microbial Ancestors’ Hydrogen Production)。

最近的一项研究表明，古生菌（archaea），一种古老的微生物，利用氢气在极端环境中生存，为氢生产和可持续绿色经济的潜在生物技术应用提供了见解。一个来自澳大利亚、瑞典、奥地利、美国、荷兰科学家组成的国际性团队，通过展示古生菌对氢气的利用，改变了我们对古生菌的理解，古生菌是人类的古老微生物祖先，可以追溯到20亿年前。相关研究结果于2024年6月7日已经在《细胞》（Cell）杂志在线发表——Chris Greening, Princess R. Cabotaje, Luis E. Valentin Alvarado, Pok Man Leung, Henrik Land, Thiago Rodrigues-Oliveira, Rafael I. Ponce-Toledo, Moritz Senger, Max A. Klamke, Michael Milton, Rachael Lappan, Susan Mullen, Jacob West-Roberts, Jie Mao, Jiangning Song, Marie Schoelmerich, Courtney W. Stairs, Christa Schleper, Rhys Grinter, Anja Spang, Jillian F. Banfield, Gustav Berggren. Minimal and hybrid hydrogenases are active from archaea. Cell, 2024: S0092-8674(24)00573-7. DOI: 10.1016/j.cell.2024.05.032. Epub. June 7, 2024.

参与此项研究的除了来自莫纳什大学的研究人员之外，还有来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University, Uppsala, Sweden）、美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley, Berkeley, CA, USA）、奥地利维也纳大学（University of Vienna, Vienna, Austria）、瑞典隆德大学（Lund University, Lund, Sweden）、荷兰皇家海洋研究所（Royal Netherlands Institute for Sea Research, Den Hoorn, the Netherlands）以及荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands）的研究人员。

发表在《细胞》（Cell）杂志上的研究结果，揭示了这些微生物是如何通过消耗和产生氢来产生能量的。这种简单而可靠的方法使它们能够在地球上一些最极端的环境中生存和繁衍数十亿年。此论文由莫纳什大学生物医学发现研究所（Monash University Biomedicine Discovery Institute）的科学家们领导，包括克里斯·格林宁教授（Professor Chris Greening）、吉尔·班菲尔德教授（Professor Jill Banfield）和鲍勃·梁博士（Dr Bob Leung），与来自瑞典、奥地利、美国以及荷兰的科学家合作，他们的研究结果重写了基础生物学的教科书。

古生菌的古老能量策略（Archaea’s Ancient Energy Strategies）

鲍勃·梁博士说，对地球上最古老的存在形式之一的发现也可能支持人类的存在，包括为未来的绿色经济设计使用氢的新方法。“人类直到最近才开始考虑使用氢作为能源，但古生菌已经这样做了10亿年。生物技术专家现在有机会从这些古细菌中获得灵感，用于工业生产氢气。”

在生命金字塔的最顶端，有3个生命领域:真核生物(eukaryotes) 、细菌（bacteria）和古细菌（archaea）。而动物、植物和真菌都属于真核生物类。古细菌是一种单细胞生物，可以在地球上最极端的环境中生存。最被广泛接受的科学理论还表明，真核生物，如人类，是由一个非常古老的古生菌谱系通过交换氢气与细菌细胞融合而进化而来的。

鲍勃·梁博士说：“我们的发现使我们更接近于理解这个关键过程是如何产生包括人类在内的所有真核生物的。”

该团队分析了数千种古细菌的基因组，以寻找产氢酶，然后在实验室中生产这些酶，以研究它们的特性。他们发现一些古生菌使用一种不寻常的酶，叫做[FeFe]-氢化酶（[FeFe]-hydrogenases）。

在极端环境中发现多种酶（Discovery of Diverse Enzymes in Extreme Environments）

在地球上许多最具挑战性的环境中都发现了制造这些利用氢的酶的古细菌，包括温泉、油藏和海底深处。这些氢化酶被认为仅限于两个生命领域:真核生物和细菌。在这里，研究小组首次证明了它们存在于古细菌中，并且它们的形式和功能非常多样化。古细菌不仅具有最小的利用氢的酶，而且具有最复杂的利用氢的酶。

这篇论文表明，一些古生菌的产氢酶是地球上所有生命形式中最小的。这可以为工业环境中的生物制氢提供简化的解决方案。克里斯·格林宁教授说，这些关于古细菌如何利用氢的发现对向绿色经济过渡有潜在的应用价值。“工业目前使用珍贵的化学催化剂来利用氢。然而，我们从大自然中知道，生物催化剂的功能可以是高效和有弹性的。我们能用这些来改进我们使用氢的方式吗? ”

古生菌具有古老的起源和在生物技术方面的潜在应用，继续吸引着研究人员，并为进一步发现和转化提供了有希望的途径。

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Abstract

Microbial hydrogen (H₂) cycling underpins the diversity and functionality of diverse anoxic ecosystems. Among the three evolutionarily distinct hydrogenase superfamilies responsible, [FeFe] hydrogenases were thought to be restricted to bacteria and eukaryotes. Here, we show that anaerobic archaea encode diverse, active, and ancient lineages of [FeFe] hydrogenases through combining analysis of existing and new genomes with extensive biochemical experiments. [FeFe] hydrogenases are encoded by genomes of nine archaeal phyla and expressed by H₂-producing Asgard archaeon cultures. We report an ultraminimal hydrogenase in DPANN archaea that binds the catalytic H-cluster and produces H₂. Moreover, we identify and characterize remarkable hybrid complexes formed through the fusion of [FeFe] and [NiFe] hydrogenases in ten other archaeal orders. Phylogenetic analysis and structural modeling suggest a deep evolutionary history of hybrid hydrogenases. These findings reveal new metabolic adaptations of archaea, streamlined H₂ catalysts for biotechnological development, and a surprisingly intertwined evolutionary history between the two major H₂-metabolizing enzymes.