Science：从结构上揭示产甲烷古菌的酶复合物进行电子分岔和二氧化碳固定之谜

2021年9月4日讯/生物谷BIOON/---产甲烷古菌（methanogenic archaea）利用复杂的酶系统在能量有限的缺氧环境中生存。节约能源的一个关键机制是电子分岔（electron bifurcation），这是一种“分裂”一对电子能量的反应，从而使一个电子以另一个电子为代价更具还原性。

在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克陆地微生物研究所和马克斯-普朗克生物物理研究所的研究人员从一种产甲烷古菌中发现了一种庞大的酶复合物，它直接将电子分岔反应中的电子转移到二氧化碳的还原和固定中。他们对这种高效的能量转化过程的详细见解可能为可持续的生物技术开发带来新的可能性。相关研究结果发表在2021年9月3日的Science期刊上，论文标题为“Three-megadalton complex of methanogenic electron-bifurcating and CO2-fixing enzymes”。

据估计，每年有10亿吨的甲烷是由称为产甲烷古菌的厌氧微生物产生的。由于甲烷是一种强效的温室气体，大气中甲烷浓度的增加威胁着生命和生计。另一方面，捕获废物和废水厌氧消化产生的生物甲烷可能是一种可再生的燃料来源。因此，了解微生物甲烷的形成机制有可能刺激和支持环境保护工作。

产甲烷古菌通过进行甲烷生成成功地进行竞争，其中甲烷生成是有机营养物厌氧分解的最后步骤之一，通常在极端条件下进行。大多数产甲烷古菌通过涉及多种酶反应的产甲烷循环从二氧化碳（CO2）和氢气（H2）产生甲烷。在典型的产甲烷生境中，这种反应只释放少量的能量，因此产甲烷菌需要高效的酶系统来在这种能量有限的环境中生存。

产甲烷循环的一个特别复杂的步骤被称为基于黄素的电子分岔（flavin-based electron bifurcation, FBEB）。人们假设产甲烷菌通过一种在细胞中自由扩散的小型电子载体蛋白---铁氧还蛋白（ferredoxin），转移该反应中的高能电子转移，以固定二氧化碳。

一种分子量为3-MDa的酶复合物显示了一种复杂的电子转移途径，其中它的构象变化为电子流进出基于黄素的电子分岔（FBEB）中心把关。来自FBEB的高能电子被直接转移到二氧化碳还原的位点。图片来自Max Planck Institute of Biophysics/Shin。

令人惊讶的是，在这项研究中，这些作者发现将电子从FBEB转移到二氧化碳还原并不需要这样的电子载体。他们从产甲烷古菌亨氏产甲烷螺菌（Methanospirillum hungatei）中纯化出由甲酸脱氢酶（formate dehydrogenase. Fdh）、杂二硫化物还原酶（heterodisulfide reductase, Hdr）和甲酰甲烷呋喃脱氢酶（formylmethanofuran dehydrogenase, Fmd）组成的酶复合物。这个物种以及许多其他的产甲烷菌，经常出现在处理诸如城市废水或工业废物之类的有机废物的厌氧消化池中。

这些作者用酶测定法描述了这种酶复合物的功能，并通过低温电镜（cryo-EM）解出了它的结构。它的结构显示，催化产甲烷循环最后一步和第一步的酶形成了一种庞大的酶复合物，从而直接将这两个步骤---甲酸驱动的FBEB和二氧化碳还原---连接在一起，因而没有使用可扩散的电子载体蛋白铁氧还蛋白。

论文第一作者、马克斯-普朗克陆地微生物研究所的Tomohiro Watanabe说，“我们的结构分析显示了一种庞大的酶复合物。一种电子转移链蛋白，即聚铁氧还蛋白（polyferredoxin），形成了一个导电通路，将高能电子从FBEB直接引向二氧化碳还原，而不是通过一种可溶性的电子载体。这意味着失去这些宝贵电子的机会更少。”

结构比较和以前发表的相互作用测定表明，Hdr和Fmd复合物的这种高阶结构可能在不同的产甲烷古菌中很常见。这些结构还为FBEB的微调机制提供了新的见解。论文共同通讯作者Bonnie Murphy解释说，“低温电镜方法使我们能够利用图像分类来解析同一样品中存在的不同构象状态的结构。在这项新的研究下，我们发现该复合物的两种不同构象状态因我们称之为‘活动臂（mobile arm）’的部分的大幅旋转而不同。通过在这两种状态之间的旋转，该复合物控制了电子流入和流出FBEB位点。”

总之，这些发现有助于我们了解产甲烷古菌的能量代谢是如何为提高效率而进行微调的：通过控制电子流入和流出FBEB，以及允许高能电子直接转移以固定二氧化碳。这一知识将有助于设计减少温室气体排放的策略，并可能使电子分岔在生物技术中得到更广泛的应用。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Tomohiro Watanabe et al. Three-megadalton complex of methanogenic electron-bifurcating and CO2-fixing enzymes. Science, 2021, doi:10.1126/science.abg5550.