这种细菌“吃”进温室气体“吐”出燃料 甲烷变甲醇指日可待!

2022年03月23日 阅读量:10

甲烷营养细菌每年消耗3000万公吨甲烷,并因其将强大的温室气体转化为可用燃料的天然能力而吸引了研究人员。然而,我们对复杂反应是如何发生的知之甚少,这限制了我们利用这一双重优势的能力。

 

通过研究细菌用来催化反应的酶,西北大学的一个研究小组现在发现了可能推动反应的关键结构。

 

他们的研究结果将于周五(3月18日)发表在《科学》杂志上,最终可能导致开发将甲烷转化为甲醇的人造生物催化剂。

 

西北大学的艾米·罗森茨威格是这篇论文的资深作者,她说:“甲烷有很强的键,所以有一种酶可以做到这一点,这是非常值得注意的。如果我们不能确切地理解这种酶是如何进行这种困难的化学反应的,我们就无法为生物技术应用设计和优化它。”

 

罗森茨威格是西北大学温伯格文理学院的温伯格家族杰出生命科学教授,她在该学院的分子生物科学和化学领域都有任职。

 

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

 

通常,当研究人员研究这些甲烷营养细菌时,他们会使用一个严酷的过程,即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隔离了酶,但它也杀死了所有酶的活性,并限制了研究人员可以收集的信息量,比如监测没有心跳的心脏。

 

在这项研究中,团队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,通过将这种酶放回一种类似其自然环境的膜中,他们是否可以学到新东西。辜利用细菌中的脂质在一种叫做纳米盘的保护性颗粒内形成一层膜,然后将酶嵌入该膜中。

 

通过在纳米盘中重建酶的自然环境,我们能够恢复酶的活性,然后,我们能够使用结构技术在原子水平上确定脂质双层是如何恢复活性的。通过这样做,我们发现了酶中可能发生甲烷氧化的铜位点的完整排列。

 

研究人员使用了低温电子显微镜(cryo EM),这是一种非常适合于膜蛋白的技术,因为在整个实验过程中,脂膜环境不会受到干扰。这使他们第一次以高分辨率观察到活性酶的原子结构。

 

Rosenzweig说:“由于最近在cryo EM中的‘分辨率革命’,我们能够看到原子结构的细节。我们所看到的完全改变了我们对这种酶活性部位的看法。”

 

低温电磁结构为回答不断堆积的问题提供了一个新的起点。甲烷如何进入酶活性部位?还是甲醇从酶中排出?活性部位的铜是如何进行化学反应的?下一步,该团队计划使用一种名为cryo electron tomography(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酶在细胞膜中的排列方式,确定它在真正的自然环境中如何运作,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。

 

罗森茨威格认为,如果你想优化这种酶,将其插入生物制造途径,或者消耗除甲烷以外的污染物,那么我们需要知道它在自然环境中的样子,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现场收集甲烷或清理漏油。

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