嗜甲烷細菌或許可以將溫室氣體轉化為燃料

（圖片來源：pixabay）

好氧性甲烷氧化菌（Methanotrophic bacteria）每年能將3000萬噸強效溫室氣體甲烷轉化為有用燃料，它們的這一功能吸引了研究人員的注意。然而，我們對該復雜反應的發生過程仍知之甚少，這限制了我們對這一神奇能力的開發利用。

現在，美國西北大學的一個研究小組研究了細菌中用來催化該反應的酶，發現可能推動該過程的關鍵結構。

其成果發表在《科學》（

Science

）雜志上，最終可能會推動將甲烷氣體轉化為甲醇的人造生物催化劑的開發。

在西北大學溫伯格文理學院進行分子生物學和化學研究的艾米·羅森茨韋格（Amy Rosenzweig，該論文的主要作者，溫伯格家族生命科學杰出教授）說：“甲烷有一個非常強的化學鍵，所以很少有酶能夠催化它。如果我們不能確切地了解這種酶是如何在如此困難的化學反應中生效的，我們就無法在生物技術應用層面設計和優化它?！?/p>

這種酶被稱為顆粒狀甲烷單加氧酶（pMMO），由于其嵌入在細菌的細胞膜中，所以相關研究一直難以進行。

在研究這種好氧性甲烷氧化菌的時候，研究人員往往會“粗暴地”使用強效洗滌劑將蛋白質從細胞膜上剝離。盡管研究人員用這種手段成功地分離了酶，但這也使酶完全喪失了應有的活性，就像檢測沒有心跳的心臟一樣，研究人員得到的信息是很局限的。

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但這次，研究小組徹底換用了一種新技術。羅森茨韋格實驗室的博士研究生克里斯托弗·古（Christopher Koo，該研究的第一作者）想知道，如果將酶放回與原生環境相似的膜中，研究者能否得到新的發現。于是，古使用了一種名為納米圓盤（nanodisc）的保護性顆粒，并在其內使用細菌脂質組建了一層膜，然后將酶嵌入到這層膜中。

古說：“在納米圓盤內重建酶的原生環境，可以使酶的活性恢復。然后，我們使用結構技術在原子水平上確定磷脂雙分子層是如何恢復活性的。在此過程中，我們發現了該酶銅位點的完整排列，也許甲烷的氧化就發生在這里?！?/p>

研究人員使用了一種非常適合膜蛋白的技術——冷凍電子顯微鏡（cryo-EM），在整個實驗過程中，脂膜環境沒有受到干擾。這使得他們首次看到了活性酶的高分辨率原子結構。

羅森茨韋格說：“得益于最近冷凍電子顯微鏡的‘分辨率革命’，我們現在能看到該結構原子層面的細節。我們所看到的徹底改變了我們對這種酶活性位點的看法?！?/p>

羅森茨韋格說，冷凍電鏡下的結構為回答不斷堆積的問題——甲烷是如何與酶的活性部位結合的？甲醇是如何與酶分離的？活性部位的銅是如何參與化學反應的？——提供了一個新起點。接下來，該團隊計劃使用一種稱為冷凍電子斷層掃描（cryo-ET）的前沿成像技術直接研究細菌細胞中的酶。

如果成功了，他們就能準確地看到酶在細胞膜中的排列方式，確定其在真實原生環境中是如何工作的，并了解該酶周圍的其他蛋白質是否與它相互作用。這些發現將為工程應用補上缺失的關鍵一環。

羅森茨韋格說：“我們需要知道顆粒狀甲烷單加氧酶在原生環境中的樣子，以及甲烷來源，然后才能優化這種酶，將其插入生物制造過程中，或者消耗除甲烷以外的污染物。你可以使用這些擁有改造酶的細菌從水力壓裂井里采集甲烷，或者清理石油泄漏。”

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翻譯：黃晨

審校：趙歡

引進來源：西北大學（Northwestern University）

本文來自：中國數字科技館

標簽： 研究人員 原生環境 西北大學 電子顯微鏡 甲烷氧化