甲烷可形成甲烷天然气水合物，是重要的潜在能源和温室气体，甲烷的产生和消耗（氧化）是自然界碳循环的最重要环节之一，极大地影响和调节了地球气候/温度的变化和波动。自然界中甲烷的产生和氧化主要在无氧（厌氧）环境中由古菌来完成。已有的研究长期认为厌氧甲烷代谢反应只集中在广古菌门（Euryarchaeota）古菌中，具有特异的利用甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase，MCR）为关键酶的特异代谢途径。除了活化和产生甲烷，MCR近期还被发现是小分子烷烃丁烷氧化的关键酶。除了广古菌门（Euryarchaeota）古菌，MCR还被发现存在于少量其他古菌门Bathyarchaeota和Verstraetearchaeota中，具体功能尚不明确。
该研究通过收集和整理全球公共数据库中的环境宏基因组和本研究小组得到的南海冷泉区沉积物宏基因组，系统调查研究了MCR的分布特征并分析对应古菌的代谢潜能。研究发现具有烷烃厌氧代谢潜能的古菌在古菌域广泛分布，除了包括已知的重要古菌门类Euryarchaeota, Bathyarcheaota, Verstraetearchaeota, 还包括例如Korarchaeota，Hadesarchaeota，Nezhaarchaeota。Nezhaarchaeota是本研究中新命名的潜在古菌新门类，以中国神话人物“哪吒”来命名。本研究发现厌氧烷烃产生/氧化广泛分布于古菌不同类群，暗示烷烃产生/氧化反应是古菌和早期生命的基本特征。研究还发现一类古菌具有在一个细胞内同时进行甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原的潜能，而目前所有已知的甲烷厌氧氧化古菌都需要与硫酸盐还原细菌共生。
该研究团队长期致力于甲烷的生物转化研究，取得了系列重要研究进展和成果，包括在世界上率先揭示了甲烷氧化古菌ANME-2的分子代谢机制（ISME J 2014），厘清了南海冷泉区参与甲烷产生和氧化的微生物类群（FEMS Microbiol Eco 2017; 中国科学地球科学2018）；揭示了小分子多碳烷烃氧化古菌在自然界的分布和活性（Environ Microbiol 2019）等。本研究拓展了科学界对自然界烷烃厌氧氧化和古菌的认识，提示了烷烃代谢很可能是古菌和早期生命的基本共同生命特征之一，为深入研究生命起源和演化提供了一条新的思路。首次发现古菌具有可在同一个细胞内进行甲烷厌氧氧化和硫酸盐还原的潜能，将开启对烷烃厌氧氧化机制新的认识和探索。同时这些基础研究也有望为认识自然界小分子烷烃化合物资源形成和储量提供科学依据。
本项目研究得到了国家自然科学基金项目（91751205, 41525011, 91428308）和国家重点研发项目（2018YFC0309800）的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-019-0364-2
