最先进的方法揭示了细菌如何将温室气体转化为燃料

甲烷营养细菌每年消耗3000万吨甲烷，并以其将强效温室气体转化为可用燃料的天然能力吸引了研究人员。然而，我们对这种复杂的反应是如何发生的知之甚少，这限制了我们利用这种双重好处的能力。

通过研究细菌用来催化反应的酶，西北大学的一个团队现在发现了可能驱动这一过程的关键结构。

他们的发现将于周五(3月18日)发表在《科学》杂志上，最终可能会导致将甲烷气体转化为甲醇的人造生物催化剂的开发。

该论文的高级作者、西北大学的艾米·罗森茨威格(Amy Rosenzweig)说:“甲烷具有非常强的化学键，所以有一种酶可以做到这一点是非常了不起的。”“如果我们不能确切地了解这种酶是如何进行这种复杂的化学反应的，我们就无法对其进行工程设计和优化，以用于生物技术应用。”

罗森茨威格是西北大学温伯格艺术与科学学院温伯格家族生命科学杰出教授，在那里她在分子生物科学和化学方面都有任命。

这种酶被称为颗粒甲烷单加氧酶(pMMO)，是一种特别难以研究的蛋白质，因为它嵌入在细菌的细胞膜中。

通常，当研究人员研究这些甲烷营养细菌时，他们会使用一种苛刻的过程，即使用洗涤剂溶液将蛋白质从细胞膜中剥离出来。虽然这一过程有效地分离了酶，但它也杀死了所有酶的活性，限制了研究人员收集的信息量——比如在没有心跳的情况下监测心脏。

在这项研究中，研究小组完全使用了一种新技术。第一作者、罗森茨威格实验室的博士候选人克里斯托弗·古(Christopher Koo)想知道，通过将酶放回类似于其原生环境的膜中，他们是否能学到一些新的东西。古用细菌的脂质在一种名为纳米盘的保护颗粒中形成一层膜，然后将酶嵌入到膜中。

“通过在纳米圆盘内重建酶的原生环境，我们能够恢复酶的活性，”Koo说。“然后，我们能够使用结构技术在原子水平上确定脂质双分子层如何恢复活性。在这样做的过程中，我们发现了酶中铜位点的完整排列，甲烷氧化可能发生在那里。”

研究人员使用了冷冻电子显微镜(cryo-EM)，这是一种非常适合于膜蛋白的技术，因为在整个实验中脂膜环境没有受到干扰。这使得他们第一次以高分辨率可视化了活性酶的原子结构。

罗森茨威格说:“由于最近低温电子显微镜的‘分辨率革命’，我们能够看到原子细节的结构。”“我们所看到的完全改变了我们对这种酶活性位点的思考方式。”

罗森茨威格说，低温电镜结构为回答那些不断堆积的问题提供了一个新的起点。甲烷是如何到达酶活性部位的?还是甲醇从酶中排出?活性部位的铜是如何发生化学反应的?接下来，该团队计划使用称为冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的前沿成像技术直接研究细菌细胞内的酶。

如果成功，研究人员将能够准确地看到这种酶在细胞膜中的排列方式，确定它在真正的原生环境中是如何运作的，并了解酶周围的其他蛋白质是否与它相互作用。这些发现将为工程师提供一个关键的缺失环节。

罗森茨威格说:“如果你想优化这种酶，将其插入生物制造途径或消耗甲烷以外的污染物，那么我们需要知道它在原生环境中的样子，以及甲烷在哪里结合。”“你可以使用带有工程酶的细菌从水力压裂场获取甲烷，或者清理石油泄漏。”

参考:顾春春，何勇，何志伟。甲烷单加氧酶在脂质双分子层中结构和活性的恢复。科学．2022, 375(6586): 1287 - 1291。doi:10.1126 / science.abm3282

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