科学家发现深海热液细菌如何减少N2O的新见解
氧化亚氮 (N2O) 是第三种最强效的温室气体，仅次于二氧化碳和甲烷。它还可以经历物理变化，导致形成对臭氧层有害的物质。自工业前时期以来，大气中的N2O浓度上升，减少这种气体的排放已成为全球性的挑战。
自然界中降低N2O的唯一生物途径是通过一种称为微生物反硝化的过程。该过程涉及一系列化学反应，从硝酸盐开始，以N2O转化为氮气结束，氮气不参与温室效应。这一特定反应仅存在于具有N2O还原酶 (N2OR; NosZ) 的微生物中，这突显了理解促进N2O高效降低的分子机制的重要性。
在北海道大学，研究人员与理化研究所(RIKEN)和华盛顿大学合作，探讨一种称为Nitrosophilus labii HRV44T的微生物物种中N2O还原的分子过程。该物种于2020年在深海热液环境中被北海道大学的科学家发现。他们的研究结果最近发表在iScience期刊上。
研究团队创造了一种新方法，使他们能够对基因表达进行详细的时间序列分析，称为转录组学，使用从有限数量的细胞中提取的RNA。
“在反应N2O的过程中对HRV44T进行时间序列转录组分析出乎意料地复杂，”北海道大学渔业科学学院的助理教授Mino Sayaka解释道。“我们尝试了微生物研究中使用的标准转录组方法，但由于从如此少的细胞中无法提取足够的RNA，我们在短时间内捕获动态基因表达方面遇到了困难。目前研究中概述的方法仅需要1 ng的信使RNA (mRNA)，这使得它适用于细胞密度低且RNA提取具有挑战性的研究。”
时间序列转录组分析表明，N2O并未显著触发与反硝化相关的基因的表达，包括在缺氧条件下激活的nos基因，即使没有氮氧化物作为电子受体。
“我们认为这种特征可能增强了深海热液环境中的能量代谢，因为替代电子受体可能并不总是可用，”华盛顿大学的副教授Robert M. Morris说道。
北海道大学的首席作者和日本学术振兴会(JSPS)研究员Tsuchiya Jiro与他的同事们对时间序列数据进行了统计分析。“我们的结果表明，反硝化基因nosZ受到通常对环境变化做出反应以激活转录的转录调控因子的负向调节。虽然还需要进一步的研究，但我们的研究拓宽了对N2O还原微生物中基因表达调控机制的理解，并可能增强它们对N2O的代谢能力，”Tsuchiya表示。
深海热液区以极端的化学和物理条件为特征，使其生物资源丰富。这项研究突出了这些区域微生物在减少N2O方面的潜力，为应对气候变化的努力做出贡献。识别具有有效温室气体减少能力的微生物物种，增强它们的功能，并理解这些微生物中特定的分子机制，可以推动通过微生物作用实现环境修复技术的发展。
