汕头大学路争等系统介绍厌氧菌遇到氧气时：氧毒性、耐受性和防御机制学术资讯

专性厌氧菌的定义特征是氧气阻碍了它们的生长，但其潜在机制尚不清楚。一个流行的假设是，这些微生物未能进化出防御能力来保护自己免受超氧化物和过氧化氢等活性氧 (ROS) 的侵害，而这种失败正是阻止它们扩展到含氧栖息地的原因。然而，研究表明，厌氧菌实际上具有与需氧菌相同的大部分防御能力，并且其中许多具有耐受大量氧气的能力。因此，为了了解微生物群落的结构和现实世界的动态，研究人员已经研究了厌氧菌如拟杆菌、脱硫弧菌、火球菌和梭状芽孢杆菌是如何应对氧气发生变化的。这些生物体居住的缺氧环境——包括哺乳动物的肠道、硫磺喷口和深层沉积物——会经历间歇性氧化。

2021年6月28日，汕头大学路争等人在Nature Reviews Microbiology（IF=60.33）在线发表题为“When anaerobes encounter oxygen: mechanisms of oxygen toxicity, tolerance and defence”的综述文章，该综述探讨了氧气损害厌氧菌的分子机制以及细菌保护其代谢途径免受其影响的程度。厌氧的新兴观点是厌氧代谢的最佳策略取决于自由基化学和低电位金属中心。这种催化位点本质上很容易受到分子氧和 ROS 的直接毒性。观察表明厌氧菌已经进化出策略，要么最大限度地减少氧气破坏其新陈代谢的程度，要么在应激消散后不久恢复功能。

地球的原始大气实际上是缺氧的，其分子氧 (O2) 的含量低于目前水平。正是在这种情况下，生命在38亿年前（Ga）出现，生物的基本生化机制和代谢途径在此建立。光系统 II 出现约 3亿年前；它使古细菌能够从水中获得还原当量，从而使光合微生物摆脱对氢和硫化氢等电子源的依赖。它还产生分子 O2 作为副产品。

由于 O2 以高速率穿过细胞膜，因此该光系统的早期使用者不会受到细胞内 O2 水平升高的影响。此外，从这些细胞中扩散出来的 O2 通过与环境还原剂的非生物反应进行化学清除，特别是溶解的亚铁和硫物质，在接下来的一亿年里，海洋和大气仍然缺氧。然而，到 2.5亿年前时，分子 O2 水平逐渐上升。大气中的 O2 稳定在当代水平的 10% 左右，然后最终从 0.8亿年前开始再次上升。

为响应这个机会，一些细菌的厌氧呼吸链进化，以便它们可以利用 O2 作为新的电子受体。另一个微生物种群保持了它们的厌氧代谢方式，它们同时代的后代居住在缺氧和缺氧区的沉积物和肠道栖息地。这些环境通过相邻层的好氧和兼性厌氧细菌的剧烈呼吸作用有效地隔绝了氧气。这些厌氧菌因暴露于 O2 时无法维持其核心代谢而著称。微生物学家很容易得出结论，这些厌氧菌未能随着地球的氧化而进化，而这种失败正是将它们限制在缺氧微环境中的原因。本综述的目的之一是纠正这种观点：厌氧微生物实际上与它们的需氧微生物共享大部分氧化防御。相反，它们持久的 O2 敏感性是优化厌氧能源生产的化学类型的副产品。

该综述探讨了氧气损害厌氧菌的分子机制以及细菌保护其代谢途径免受其影响的程度。厌氧的新兴观点是厌氧代谢的最佳策略取决于自由基化学和低电位金属中心。这种催化位点本质上很容易受到分子氧和 ROS 的直接毒性。观察表明厌氧菌已经进化出策略，要么最大限度地减少氧气破坏其新陈代谢的程度，要么在应激消散后不久恢复功能。

来源：iNature

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