科学:揭示甲烷氧化细菌如何将甲烷转化为燃料

来源：原网站2022-03-19 20:10

在一项新的研究中，西北大学的研究人员通过研究甲烷氧化细菌用来催化这一复杂反应的酶，找到了驱动这一过程的关键结构。他们的发现可能最终导致将甲烷气体转化为甲醇的人工生物催化剂的开发。

2022年3月19日/Bion/-甲烷氧化每年消耗3000万公吨甲烷，并因其将这种强大的温室气体转化为可用燃料的天然能力而吸引科学家。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优势的能力。

在一项新的研究中，美国西北大学的研究人员通过研究用于催化甲烷氧化这一复杂反应的酶，发现了驱动这一过程的关键结构。他们的发现可能最终导致将甲烷气体转化为甲醇的人工生物催化剂的开发。相关研究成果发表在2022年3月18日的《科学》杂志上，题目是《一个脂双层中特定方法单加氧酶结构和活性的恢复》。

论文作者、西北大学的艾米罗森茨韦格(Amy Rosenzweig)说，“甲烷有很强的化学键，所以有一种酶可以破坏它的化学键，这非常了不起。如果我们不知道这种酶是如何进行这种复杂的化学反应的，我们就无法以生物技术应用为目的对其进行设计和优化。”

这种被称为颗粒甲烷单加氧酶(PMMO)的酶是一种特别难研究的蛋白质，因为它嵌入在甲烷氧化细菌的细胞膜中。通常，科学家在研究甲烷氧化时，会使用一种苛刻的程序，即使用洗涤剂溶液将蛋白质从细胞膜上撕下。虽然这一过程有效地分离了酶，但也杀死了它的所有活性，从而限制了人们可以收集的信息量。

低温电子显微镜揭示了蛋白质pMMO在膜中前所未有的结构。图片来自西北大学。

在这项新的研究中，这些作者完全使用了一项新技术。这篇论文的第一作者、罗森茨威格实验室的博士生克里斯托弗古(Christopher Koo)想知道，如果将这种酶放回与其自然环境相似的膜中，他们是否能学到新的东西。Koo利用甲烷氧化产生的脂质在一种名为nanodisc的保护性颗粒中形成一层薄膜，然后将这种酶嵌入到这层薄膜中。

Koo说，“通过重建这种酶在这种培养皿中的自然环境，我们可以恢复它的活性。然后，我们可以使用结构技术来确定脂质双层如何在原子水平上恢复其活性。在这样做的过程中，我们发现了这种酶中可能发生甲烷氧化的铜位点的完整排列。”

这些作者使用了cryo-EM，这是一种非常适合膜蛋白的技术，因为在整个实验过程中脂质膜环境没有受到干扰。这使得他们首次能够以高分辨率观察到这种活性酶的原子结构。

Rosenzweig说，“由于低温电子显微镜最近的分辨率革命，我们可以在原子水平上观察结构细节。我们观察到的情况完全改变了我们对这种酶活性位点的看法。”

Rosenzweig表示，这种酶的低温电子显微结构为回答持续积累的问题提供了新的起点：甲烷是如何进入这种酶的活性位点的？或者说甲醇是如何从这种酶中释放出来的？活性位铜如何发生化学反应？接下来，这些作者计划使用一种名为cryo-ET的尖端成像技术，直接在甲烷氧化细胞中研究这种酶。

如果成功，这些作者将能够准确观察该酶在细胞膜中的排列，确定它在真实的自然环境中如何工作，并知道该酶周围的其他蛋白质是否与其相互作用。这些发现将为工程师们提供一个关键的缺失环节。

Rosenzweig说，“如果你想优化这种酶，将其插入生物制造途径，或者消耗甲烷以外的污染物，那么我们需要知道它在自然环境中是什么样子，甲烷结合在哪里。你可以用工程酶从压裂现场收集甲烷，或者清理漏油。”(100yiyao.com 100医疗网)

参考资料：

克里斯托弗w库等人。科学，2022，doi :10.1126/science . abm 3282。

版权声明

本网站所有标注“来源：100医学网”或“来源：bioon”的文字、图片、音视频资料，均属于100医学网网站的版权。未经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任。获得书面授权转载时，必须注明“来源：100医学网”。其他来源的文章都是转载。本网站所有转载都是为了传递更多信息。转载内容不代表本网站立场。不希望被转载的媒体或个人可以联系我们，我们会立即删除。

87%的用户在用100医网APP随时阅读、评论、分享。请扫描二维码下载-