创新背景

甲烷是温室气体的一种，产生的温室效应是二氧化碳的20多倍，是导致全球变暖的罪魁祸首之一。一直以来，人们认为甲烷只有在没有氧气的情况下分解有机物质时通过古细菌形成。科学的不断进步推动人们一步步深入认识甲烷，发现植物、蘑菇、藻类和蓝藻在氧气存在下也会因为酶活性形成甲烷。然而，到目前为止，在任何这些生物体中都没有发现这种机制的酶。

创新过程

海德堡大学、马克斯普朗克陆地微生物研究所、德国癌症研究中心、海德堡理论研究所和吉森大学的研究人员发现甲烷通过纯化学过程在生物体细胞中生长，它的形成基于一种通用机制。相关研究成果《甲烷的形成由活性氧在所有生物体中驱动》发表在2022年3月9日出版的《自然》上。新发现揭示了甲烷的形成途径，是了解环境中有氧甲烷形成的重要基础。

甲烷形成的机制是由细胞代谢活动产生的活性氧驱动，不需要借助催化剂，而是依靠纯粹的化学机制。在与必需的铁元素相互作用时，所有生物体中的氧化合物都会参与化学反应，通过各种步骤形成高活性代谢物，这些物质会分裂硫和氮化合物的甲基自由基。甲烷在高活性代谢物形成后与氢原子相互作用形成的。

在之前的研究中，不通过生物生成甲烷的化学过程以活性氧出、自由铁和满足需求的甲基供体为主要原料，过氧化氢（ROS）与二价铁离子发生反应后形成高度还原的羟基自由基，之后自由基和甲基供体作用产生甲基自由基，最后甲基自由基和氢自由基结合产生甲烷分子。新研究使用枯草芽孢杆菌进行实验，证明甲烷形成的程度与代谢活动直接相关。细胞越活跃，形成的甲烷就越多。在含有甲基供体二甲基亚砜（DMSO）的培养基中禁止酶的参与，枯草芽孢杆菌在生殖生长期会持续生成甲烷，休眠期则不会生产甲烷。

且这些细菌可获取的甲基供体、自由体的含量，对最终的甲烷产量有着明显的调控作用。除了增加代谢活性外，较高的环境温度或添加ROS形成物质引起的氧化应激增加了研究使用的生物体中甲烷的形成量。使用抗氧化剂抵消甲烷时，甲烷的形成会减少，这可以调节生物体中甲烷出现的因素的相互作用。

研究从细菌和古菌到酵母和植物细胞再到人类细胞系，显示了30多种模式生物中与活性氧簇（ROS）相关的甲烷形成 。研究人员认为，这种纯粹化学触发的甲烷形成机制很可能发生在所有生物体中。这种与物理和化学应激因素的相互作用可以解释为什么单个生物体可以释放非常不同数量的甲烷。一个人呼吸中的甲烷波动可以提供氧化应激水平的迹象或指向免疫反应。

创新价值

研究结果是理解环境中有氧甲烷形成的里程碑，这种通用机制可以解释早期对植物释放甲烷的观察，增加人们对生命活动的新见解。