主要的甲烷生成古菌对全球气候有重大影响，因为它们生产了大多数生物源甲烷 (CH4)，但它们也是可再生能源的重要来源。因此，了解微生物 CH4 形成的生化途径对减缓气候变化、合成生物学的发展和生物技术应用至关重要。在氢营养型甲烷生成过程中，来自氢气 (H2) 和形式酸等供体的电子通过一系列 C1 载体还原二氧化碳 (CO2)，最终在最后的 CH4 形成反应中产生 CH4 和异二硫化物 CoM-S-S-CoB。这为甲烷生成的最终步骤和初始步骤提供了直接的机制联系，形成了一个称为沃尔夫循环的连续循环。通过一种超组装实现了这一联系，在该超组装中，异二硫化物还原酶 (HdrABC) 直接与含钨的 CO2 还原形式甲烷呋喃脱氢酶 (FwdABCDFG) 或其钼同种型 (Fmd) 交互。这些酶与 [NiFe]-氢化酶 (VhuADGU) 或形式酸脱氢酶 (FdhAB) 相连，将 CoM-S-S-CoB 的放热性还原与聚铁氧体亚基的吸热性还原连接起来，通过黄素基电子分叉 (FBEB)。在此过程中，电子对的能量可以不对称分配，产生用于 CO2 还原的低电位电子和用于将 CoM-S-S-CoB 还原为 CoM-SH 和 CoB-SH 的高电位电子。聚铁氧体 VhuB 和 FwdF 将低电位电子转移到 FwdBC 的活性位点，在那里它们用于将 CO2 还原为形式酸，随后通过缩合形成 C1 载体甲烷呋喃，形成形式甲烷呋喃。该中间体随后转移到四氢甲烷萜 (H4 MPT) 并沿着伍德-刘京达尔途径的甲基支逐步还原为甲基-H4 MPT。当前，我们对这些超组装的理解基于来自 Methanospirillum hungatei 的单一结构。该复合体揭示了六聚体结构，直接通过 FmdF 将 CO2 还原形式甲烷呋喃脱氢酶 (Fmd) 与异二硫化物还原酶 (HdrABC) 相连，支持在该复合体内低电位电子的直接转移。尽管最初考虑其广泛代表性，但目前尚不清楚该结构在多种甲烷产生物种中反映了多少多样性。这通过甲烷生成古菌的深层系统发育分化得到了强调，甲烷生成古菌分为两个主要类群：类 I（如 Methanopyrus、Methanococcales 和 Methanobacteriales）和类 II（如 Methanomicrobiales、Methanocellales 和 Methanosarcinales），这两者在进化起源和生理上有所不同。虽然许多基因在甲烷生成古菌中是保守的，但在不同环境条件下生长的物种之间可以发现明显的差异。许多类 I 甲烷菌表现出氢营养生长，并在高温条件下繁荣，除了 Methanococcus，这反映在它们的基因组规模减小上。类 II 甲烷菌可以在更广泛的底物范围和较低温度下生长，导致基因组更大，并能够激活不同的代谢途径。生化和蛋白质组学分析表明，类 I 物种可能依赖于根本不同的结构，其中聚铁氧体 VhuB（也称为 MvhB）连接 Vhu–Hdr 和 Fwd 复合体。然而，在没有结构信息的情况下，甲烷生成多样性中有效 CO2 还原和能量保存的机制基础仍未解决。然而，理解这一点对于解读不同甲烷菌物种在不同环境条件和压力下如何在极端、能量有限的条件下持续存在至关重要。在这里，我们揭示了来自类 I 氢营养型甲烷菌 M. maripaludis 的 Hdr–Vhu–Fwd 超组装的结构。我们的结构展示了一个包含 12 个 Hdr–Vhu 二聚体副本的 8 MDa 超组装，这些副本组织成两个对称的六聚体环，由三个四聚体、沙漏形的 Fwd(ABCDFG) 复合体连接。在这一独特的排列中，12 个聚铁氧体亚基 (VhuB) 将 Vhu–Hdr 和 Fwd 复合体连接起来，从而将 FBEB 与 CO2 还原耦合，并直接将甲烷生成的最后一步和第一步相连。使用原位红外光谱的功能分析证实了 Hdr–Vhu–Fwd 超组装中所有催化亚基之间的电子耦合。对 Hdr、Fwd/Fmd 和 VhuB 组件的保守性分析表明，这一结构在类 I 甲烷菌中具有代表性。总的来说，这些发现突显了类 I 和类 II 甲烷菌 Hdr 超组装的结构差异，并强调了其进化分化。