嗜甲烷细菌能将温室气体转化为燃料
来源：中国数字科技馆
（图片来源：pixabay）
好氧性甲烷氧化菌（Methanotrophic bacteria）每年能将3000万吨强效温室气体甲烷转化为有用燃料，它们的这一功能吸引了研究人员的注意。然而，我们对该复杂反应的发生过程仍知之甚少，这限制了我们对这一神奇能力的开发利用。
现在，美国西北大学的一个研究小组研究了细菌中用来催化该反应的酶，发现可能推动该过程的关键结构。其成果发表在《科学》（Science）杂志上，最终可能会推动将甲烷气体转化为甲醇的人造生物催化剂的开发。
在西北大学温伯格文理学院进行分子生物学和化学研究的艾米·罗森茨韦格（Amy Rosenzweig，该论文的主要作者，温伯格家族生命科学杰出教授）说：“甲烷有一个非常强的化学键，所以很少有酶能够催化它。如果我们不能确切地了解这种酶是如何在如此困难的化学反应中生效的，我们就无法在生物技术应用层面设计和优化它。”
这种酶被称为颗粒状甲烷单加氧酶（pMMO），由于其嵌入在细菌的细胞膜中，所以相关研究一直难以进行。在研究这种好氧性甲烷氧化菌的时候，研究人员往往会“粗暴地”使用强效洗涤剂将蛋白质从细胞膜上剥离。尽管研究人员用这种手段成功地分离了酶，但这也使酶完全丧失了应有的活性，就像检测没有心跳的心脏一样，研究人员得到的信息是很局限的。
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但这次，研究小组彻底换用了一种新技术。罗森茨韦格实验室的博士研究生克里斯托弗·古（Christopher Koo，该研究的第一作者）想知道，如果将酶放回与原生环境相似的膜中，研究者能否得到新的发现。于是，古使用了一种名为纳米圆盘（nanodisc）的保护性颗粒，并在其内使用细菌脂质组建了一层膜，然后将酶嵌入到这层膜中。
古说：“在纳米圆盘内重建酶的原生环境，可以使酶的活性恢复。然后，我们使用结构技术在原子水平上确定磷脂双分子层是如何恢复活性的。在此过程中，我们发现了该酶铜位点的完整排列，也许甲烷的氧化就发生在这里。”
研究人员使用了一种非常适合膜蛋白的技术——冷冻电子显微镜（cryo-EM），在整个实验过程中，脂膜环境没有受到干扰。这使得他们首次看到了活性酶的高分辨率原子结构。
罗森茨韦格说：“得益于最近冷冻电子显微镜的‘分辨率革命’，我们现在能看到该结构原子层面的细节。我们所看到的彻底改变了我们对这种酶活性位点的看法。”
罗森茨韦格说，冷冻电镜下的结构为回答不断堆积的问题——甲烷是如何与酶的活性部位结合的？甲醇是如何与酶分离的？活性部位的铜是如何参与化学反应的？——提供了一个新起点。接下来，该团队计划使用一种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中的酶。
如果成功了，他们就能准确地看到酶在细胞膜中的排列方式，确定其在真实原生环境中是如何工作的，并了解该酶周围的其他蛋白质是否与它相互作用。这些发现将为工程应用补上缺失的关键一环。
罗森茨韦格说：“我们需要知道颗粒状甲烷单加氧酶在原生环境中的样子，以及甲烷来源，然后才能优化这种酶，将其插入生物制造过程中，或者消耗除甲烷以外的污染物。你可以使用这些拥有改造酶的细菌从水力压裂井里采集甲烷，或者清理石油泄漏。”
（图片来源：pixabay）
翻译：黄晨
审校：赵欢
引进来源：西北大学（Northwestern University）
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