微生物所李洁团队合作开发新型疏水性瘤胃甲烷抑制剂并揭示其作用机制

甲烷是重要温室气体，反刍动物瘤胃甲烷排放既是农业温室气体的重要来源，也造成饲料能量损失。我国牛羊养殖规模位居世界前列，相关甲烷年排放量达200 Tg二氧化碳当量，对畜牧业绿色转型和国家 “双碳”目标形成巨大挑战。因此，开发安全、高效的瘤胃甲烷抑制剂，是保障畜牧业绿色低碳发展和国家“双碳”战略的重要科技需求。但现有抑制剂有限，且存在亲水性高、滞留时间短等问题，制约跨膜及胞内持续作用。提高抑制剂的细胞可及性及靶向效率，是发展瘤胃甲烷减排技术的重要突破方向。

近日，中国科学院微生物研究所李洁团队与中国科学院亚热带农业生态研究所王敏团队合作，在The ISME Journal上发表了题为“Intracellular accumulation of hydrophobic 1,3-PDN inhibits methanogenesis in rumen methanogen”的研究论文。研究开发了新型疏水性瘤胃甲烷抑制剂1,3-丙二醇二硝酸酯（1,3-propanediol dinitrate,1,3-PDN），发现增强化合物疏水性可提高其进入产甲烷古菌而增强胞内富集，进而显著抑制瘤胃甲烷生成，揭示了“分子疏水性—胞内富集—靶向产甲烷代谢”相关联的新机制，为甲烷抑制剂理性设计提供了新依据。

甲基辅酶M还原酶（methyl-coenzyme M reductase, MCR）催化所有已知生物产甲烷途径的最后一步，是重要的甲烷抑制剂靶点。围绕提高细胞可及性思路，研究团队设计了新型疏水性MCR靶向抑制剂1,3-PDN，并结合瘤胃体外发酵、产甲烷古菌纯培养、多组学分析和分子模拟等，系统解析了其抑制效应及作用机制。研究发现，与3-NOP相比，1,3-PDN具有更强的细胞渗透能力，在瘤胃产甲烷古菌Methanobrevibacter olleyae细胞内达到显著更高的胞内累积（图1）。在瘤胃体外发酵体系中，48 h 1,3-PDN抑制甲烷产量达55%（图2）。宏转录组分析表明，1,3-PDN抑制多个活跃产甲烷古菌类群而重塑群落结构，其中对氢营养型产甲烷菌的抑制尤为明显；纯培养验证了其对瘤胃氢营养型产甲烷古菌M. olleyae的直接抑制作用。分子对接与蛋白质组学分析发现，1,3-PDN可能结合MCR活性中心而抑制其活性，并伴随MCR和四氢甲烷蝶呤甲基转移酶（tetrahydromethanopterin S-methyltransferase，MTR）相关亚基丰度下降，并扰动产甲烷相关的多个氧还代谢过程。综上，1,3-PDN通过增强胞内富集并干扰以MCR为核心的产甲烷代谢体系，实现高效瘤胃甲烷抑制；该研究为新一代高效瘤胃甲烷抑制剂的理性设计及反刍动物甲烷减排提供了新的理论基础和技术路径。

中国科学院亚热带农业生态研究所博士研究生欧阳冰姿和曹玉荣为本论文共同第一作者，中国科学院亚热带农业生态研究所王敏研究员、中国科学院微生物研究所李洁研究员和中国科学院亚热带农业生态研究所张秀敏副研究员为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的经费资助。

图1 1,3-PDN /3-NOP 在产甲烷古菌M. olleyae的细胞内的累积情况

图2 体外模拟瘤胃发酵中1,3-PDN对甲烷和氢气生成的影响

原文链接：https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag200