嗜甲烷細(xì)菌（也稱甲烷氧化細(xì)菌）每年消耗近3000萬噸的甲烷，并因其將強(qiáng)大的溫室氣體轉(zhuǎn)化為可用燃料的自然能力而吸引了研究人員的注意,。然而,，研究人員對這一復(fù)雜的反應(yīng)是如何發(fā)生的知之甚少，限制了他們利用這一雙重優(yōu)勢的能力,。通過研究細(xì)菌用來催化該反應(yīng)的酶,，美國西北大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了可能驅(qū)動(dòng)該過程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

他們的發(fā)現(xiàn)將于3月18日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上,，最終可能導(dǎo)致開發(fā)出將甲烷氣體轉(zhuǎn)化為甲醇的人造生物催化劑,。

論文的資深作者、西北大學(xué)的Amy Rosenzweig說：“甲烷有很強(qiáng)的結(jié)合力,，所以有一種酶可以做到這一點(diǎn),，這非常了不起。如果我們不確切了解該酶是如何進(jìn)行這種困難的化學(xué)反應(yīng)的,，我們就無法為生物技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)和優(yōu)化它,。”

Rosenzweig是西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院生命科學(xué)的Weinberg Family特聘教授,，她在分子生物科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域都有任職,。

這種被稱為顆粒甲烷單加氧酶（pMMO）的酶是一種特別難以研究的蛋白質(zhì)，因?yàn)樗磺度肓思?xì)菌的細(xì)胞膜中,。

通常情況下,，當(dāng)研究人員研究這些甲烷細(xì)菌時(shí)，他們使用一種嚴(yán)格的程序,，即用一種洗滌劑溶液將蛋白質(zhì)從細(xì)胞膜上撕下來,。雖然這個(gè)過程有效地隔離了酶，但它也殺死了所有的酶的活性,，并限制了研究人員能夠收集多少信息--就像監(jiān)測一個(gè)沒有心跳的心臟,。

在這項(xiàng)研究中,，該團(tuán)隊(duì)完全使用了一種新的技術(shù)。Christopher Koo是第一作者,，也是Rosenzweig實(shí)驗(yàn)室的博士生,，他想知道通過將酶放回類似于其原生環(huán)境的膜中，他們是否能學(xué)到一些新東西,。Koo利用來自細(xì)菌的脂質(zhì)在一個(gè)被稱為納米盤的保護(hù)性顆粒內(nèi)形成一個(gè)膜,，然后將酶嵌入該膜中。

Koo說：“通過在納米盤內(nèi)重新創(chuàng)造酶的本地環(huán)境,，我們能夠恢復(fù)酶的活性,。然后，我們能夠使用結(jié)構(gòu)技術(shù)在原子水平上確定脂質(zhì)雙分子層是如何恢復(fù)活性的,。在這樣做的過程中,，我們發(fā)現(xiàn)了酶中可能發(fā)生甲烷氧化的銅位點(diǎn)的完整排列?！?/p>

研究人員使用了低溫電子顯微鏡（cryo-EM）,，這是一種非常適合膜蛋白的技術(shù)，因?yàn)樵谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,，脂質(zhì)膜環(huán)境沒有受到干擾,。這使他們能夠首次高分辨率地觀察到活性酶的原子結(jié)構(gòu)。

Rosenzweig說：“作為最近低溫電子顯微鏡'分辨率革命’的結(jié)果,，我們能夠看到原子級的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),。我們所看到的完全改變了我們對這種酶的活性部位的思考方式?！?/p>

Rosenzweig表示,，低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)為回答繼續(xù)堆積的問題提供了一個(gè)新的起點(diǎn)。甲烷是如何進(jìn)入酶的活性部位的,？或者甲醇是如何走出酶的,？活性部位的銅是如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的？接下來,，研究小組計(jì)劃使用一種稱為低溫電子斷層掃描（cryo-ET）的前沿成像技術(shù)直接在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)研究該酶,。

如果成功的話，研究人員將能夠準(zhǔn)確地看到該酶在細(xì)胞膜中的排列方式,，確定它在真正的本地環(huán)境中如何運(yùn)作,，并了解該酶周圍的其他蛋白質(zhì)是否與它相互作用。這些發(fā)現(xiàn)將為工程師提供一個(gè)關(guān)鍵的缺失環(huán)節(jié),。

Rosenzweig說：“如果你想優(yōu)化這種酶,，把它插入生物制造途徑或消耗甲烷以外的污染物,，那么我們需要知道它在本地環(huán)境中是什么樣子,，以及甲烷在哪里結(jié)合,。你可以用帶有工程酶的細(xì)菌從壓裂現(xiàn)場采集甲烷，或者清理石油泄漏,?！?/p>