《Nature Communications》：Branched-chain amino acid specialization drove diversification within Calditenuaceae (Caldarchaeia) and enables their cultivation
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本研究针对高温地热系统中大量未培养的古菌（如Thermoproteota深部分支成员）代谢机制不清的问题，通过基因组引导培养结合FISH-nanoSIMS、宏基因组/宏蛋白组分析，成功富集了专性利用支链氨基酸（BCAAs）的Cal. ramacidaminiphagus，揭示其通过BCAA转运蛋白水平基因转移实现生态位分化的进化策略，为高温微生物资源利用提供新范式。
在地球上高温地热系统这样的极端环境中，存在着大量未被培养的微生物，它们如同微生物世界的"暗物质"，虽然通过分子生态学研究表明它们在高温环境中占据重要地位，但其生理特性和代谢潜能一直是个谜。尤其是泉古菌门（Thermoproteota）中的深部分支成员，由于缺乏纯培养物，科学家对它们的认识一直停留在基因序列层面。这些未培养的古菌如何在高热环境中获取能量和碳源？它们在全球生物地球化学循环中扮演什么角色？这些问题长期困扰着微生物生态学家。
为了解开这一谜团，一个国际研究团队将目光投向了泉古菌科（Calditenuaceae）的代表性生物。研究人员通过创新的基因组引导培养策略，成功富集并研究了一种名为Calditenuis ramacidaminiphagus的古菌。这项发表在《Nature Communications》上的研究不仅首次揭示了这类微生物独特的代谢特性，还发现了支链氨基酸（BCAAs）在其进化历史中的关键作用。
研究团队运用了多项前沿技术手段：首先通过荧光原位杂交与纳米二次离子质谱联用技术（FISH-nanoSIMS）直接观测微生物对氨基酸的摄取过程；利用宏基因组测序重构微生物的代谢潜能；通过宏蛋白组学分析验证关键代谢酶的表达；结合系统发育分析和祖先状态重建追溯基因的进化历史。
研究结果从多个层面揭示了Cal. ramacidaminiphagus独特的生物学特性：
氨基酸摄取特异性验证
通过FISH-nanoSIMS技术，研究人员发现Cal. ramacidaminiphagus在添加了酪蛋白氨基酸的富集培养物中能够快速同化氨基酸。这一直接证据表明该微生物具有活跃的氨基酸吸收能力，为其异养代谢方式提供了实验支持。
BCAA转运系统的高效表达
宏基因组和宏蛋白组分析显示，BCAA转运蛋白基因在Cal. ramacidaminiphagus中具有高丰度和高表达水平。这一发现提示BCAA代谢在该微生物的能量代谢和碳源利用中占据核心地位，为其特化的代谢策略提供了分子基础。
BCAA特异性富集验证
研究人员设计了精确的营养实验，发现在仅提供BCAA的培养条件下，Cal. ramacidaminiphagus能够迅速增殖，达到2.66×106个细胞/毫升的密度，占据群落总量的48.7%。然而，当培养物中含有极性氨基酸时，该微生物会被其他微生物竞争者所抑制。这一结果直接证明了BCAA是Cal. ramacidaminiphagus的关键生长限制因子。
代谢通路重构
基于基因组注释和蛋白质组数据，研究团队重构了Cal. ramacidaminiphagus的完整代谢网络。研究表明，BCAA通过特定的代谢途径被导入甲羟戊酸途径（mevalonate pathway）用于脂质生物合成，同时通过TCA循环（三羧酸循环）耦合有氧呼吸产生ATP。当碳源过剩时，通过溢出代谢产生支链有机酸，这一多层次的代谢策略确保了能量和碳骨架的高效利用。
进化历史解析
通过对62个Caldarchaeales基因组的系统发育分析和祖先状态重建，研究人员发现BCAA转运蛋白通过多次水平基因转移事件进入了Calditenuis属的祖先基因组。这一进化创新事件可能为该属微生物开辟了新的生态位，使其能够在高温环境中专性利用BCAA这一特殊资源。
研究结论表明，BCAA代谢特化是驱动泉古菌科（Calditenuaceae）多样化的重要进化力量。这种资源特化利用策略使得即使在低多样性的高温微生物群落中，也存在着精细的生态位分化。Cal. ramacidaminiphagus的成功培养不仅为研究高温古菌的生理生态提供了重要模型，其独特的BCAA代谢机制也为工业生物技术中高温酶的应用提供了新思路。这项研究揭示了基因水平转移在微生物适应性进化中的关键作用，为理解极端环境微生物的起源和演化提供了新的视角。
