24億年前砷中毒，微生物怎麼解

砷是一種劇毒金屬，其3價、5價化合物對環境和生物都具有較強毒性。為理解微生物如何應對地球環境中砷的變化，中國科學院生態環境研究中心研究員、中科院院士朱永官團隊和美國佛羅里達國際大學Barry P. Rosen團隊聯合完成一項研究，揭示了24億年前的一次環境變化前後，微生物進化出砷的一種還原酶，用以抵抗砷的毒性。這項研究4月29日於《美國國家科學院院刊》在線發表。

在24億年前前後的元古代早期，地球大氣首次發生大規模充氧事件，被命名為“大氧化事件”。這次事件中，地球上分佈最廣的劇毒類金屬砷從3價還原態的亞砷酸鹽形式，氧化至5價的砷酸鹽形式，這導致原始生命首次暴露於5價砷的毒害下，成為威脅地球生命的重要環境因素之一。

那麼，原始生命如何應對由大氧化事件導致的砷環境毒性劇變？研究團隊利用系統進化基因組學、分子鐘理論和生物進化模型，估算了目前報道的所有微生物砷解毒基因的起源時間，重構了大氧化事件前後微生物抗砷系統的演變，並結合地球化學證據闡述了砷在環境中的變化與生命耐砷分子機制進化的關係。

研究結果表明，在三價砷主導的大氧化事件之前的地球環境中，微生物砷解毒系統由還原態砷的抗性機制構成。主要途徑包括3價砷的外排和甲基化，分別由亞砷酸轉運蛋白（Acr3）和砷甲基轉移酶（ArsM）介導。

為緩解由大氧化事件導致的五價砷的毒害作用，微生物進化出砷酸鹽還原酶（ArsC），並與原有的砷外排機制共同組裝出了5價砷的解毒途徑。隨著大氣遊離氧的積累，氧氣被微生物利用以抵抗砷的毒性。其中，需氧酶ArsI（碳-砷裂解酶）和ArsH（甲基砷氧化酶）介導抗砷途徑的產生和演化，使得微生物砷解毒系統進一步擴張。

 微生物對3價砷和5價砷解毒分子機制

研究人員指出，重構地球生命的起源和演化過程是地球環境科學和地球生物學研究中最具挑戰的研究課題之一。該研究以微生物抗砷系統的進化為例，系統描繪了地球演化歷史中生命對重金屬環境毒性的適應過程，為闡明重金屬元素循環、生命進化和地球演變之間的交互作用提供了新的視角。

據了解，該聯合團隊長期致力於砷生物地球化學過程和微生物抗砷分子機制的研究，取得了一系列重要進展。另外，該研究探索了新型“化石”—生物基因組在解決前沿進化生物學問題中的應用模式，所獲得的結果對理解重金屬污染環境下的生態學過程具有重要意義，為人類適應、調控、改造和治理污染環境提供一定的理論基礎。

德國亥姆霍茲環境研究中心博士后陳松燦和中國科學院生態環境研究中心研究員孫國新為共同第一作者，朱永官和Barry P. Rosen為本文的通訊作者。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2001063117