Science：揭示甲烷氧化细菌如何将甲烷转化为燃料

2022年3月19日讯/生物谷BIOON/---甲烷氧化细菌（methanotrophic bacteria）每年消耗3000万公吨的甲烷，并因它们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了科学家们。然而，我们对这种复杂的反应是如何发生的知之甚少，从而限制了我们利用这一双重优势的能力。

在一项新的研究中，来自美国西北大学的研究人员通过研究甲烷氧化细菌用来催化这种复杂反应的酶，发现了驱动这一过程的关键结构。他们的发现最终可能导致人们开发出将甲烷气体转化为甲醇的人造生物催化剂。相关研究结果发表在2022年3月18日的Science期刊上，论文标题为“Recovery of particulate methane monooxygenase structure and activity in a lipid bilayer”。

论文通讯作者、西北大学的Amy Rosenzweig说，“甲烷的化学键很强，所以有一种酶可以破坏它的化学键，这非常了不起。如果我们不确切了解该酶是如何进行这种复杂的化学反应的，我们就无法出于生物技术应用的目的设计和优化它。”

这种称为颗粒甲烷单加氧酶（particulate methane monooxygenase, pMMO）的酶是一种特别难以研究的蛋白，因为它嵌入在甲烷氧化细菌的细胞膜中。通常情况下，当科学家们研究甲烷氧化细菌时，他们使用一种苛刻的程序，即用一种洗涤剂溶液将这种蛋白从细胞膜上撕下来。虽然这个过程有效地分离出这种酶，但这也杀死了它的全部活性，因而限制了人们能够收集的信息量。

低温电镜揭示了蛋白pMMO在膜中前所未见的结构，图片来自Northwestern University。

在这项新的研究中，这些作者完全使用了一种新的技术。论文第一作者、Rosenzweig实验室博士生Christopher Koo想知道通过将这种酶放回类似于它的天然环境的膜中，他们是否能了解到一些新的东西。Koo利用来自甲烷氧化细菌的脂质在一种称为纳米盘（nanodisc）的保护性颗粒内形成一层膜，然后将这种酶嵌入这层膜中。

Koo说，“通过在这种纳米盘内重建这种酶的天然环境，我们能够恢复它的活性。然后，我们能够使用结构技术在原子水平上确定这种脂质双分子层是如何恢复它的活性的。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。”

这些作者使用了低温电镜（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。这使得他们能够首次高分辨率地观察到这种活性酶的原子结构。

Rosenzweig说，“作为近期低温电镜‘分辨率革命’的结果，我们能够观察到原子水平的结构细节。我们所观察到的完全改变了我们对这种酶的活性位点的看法。”

Rosenzweig说，这种酶的低温电镜结构为回答继续堆积的问题提供了一个新的起点：甲烷是如何进入这种酶的活性部位的？或者甲醇是如何这种酶中释放出来的？活性位点的铜是如何进行化学反应的？接下来，这些作者计划使用一种称为低温电子断层扫描（cryo-ET）的前沿成像技术直接在甲烷氧化细菌细胞内研究这种酶。

如果成功的话，这些作者将能够准确地观察到该酶在细胞膜中的排列方式，确定它在真正的天然环境中如何运作，并了解该酶周围的其他蛋白是否与它相互作用。这些发现将为工程师提供一个关键的缺失环节。

Rosenzweig说，“如果你想优化这种酶，将它插入生物制造途径，或消耗除甲烷以外的污染物，那么我们需要知道它在天然环境中的样子，以及甲烷在哪里结合。你可以用带有工程酶的细菌从压裂现场采集甲烷，或者清理石油泄漏。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Christopher W. Koo et al. Recovery of particulate methane monooxygenase structure and activity in a lipid bilayer. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm3282.