甲烷营养细菌每年消耗 3000 万吨甲烷，并因其将强效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，这限制了我们利用双重利益为我们所用的能力。

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驱动这一过程的关键结构。

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

“甲烷具有非常强的结合力，因此有一种酶可以做到这一点非常了不起，”该论文的资深作者，西北大学的 Amy Rosenzweig 说。“如果我们不确切了解酶是如何进行这种困难的化学反应的，我们将无法针对生物技术应用对其进行工程设计和优化。”

Rosenzweig 是西北大学温伯格文理学院的温伯格家族生命科学特聘教授，在分子生物科学和化学领域任职。

这种酶称为颗粒甲烷单加氧酶 (pMMO)，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氧化细菌时，他们会使用一个苛刻的过程，在这个过程中，使用洗涤剂溶液将蛋白质从细胞膜中剥离出来。虽然这个过程有效地分离了酶，但它也杀死了所有的酶活性并限制了研究人员可以收集的信息量——比如在没有心跳的情况下监测心脏。

在这项研究中，该团队完全使用了一种新技术。Christopher Koo，第一作者，博士。Rosenzweig 实验室的候选人，想知道通过将酶放回类似于其原生环境的膜中，他们是否可以学到新的东西。Koo 使用来自细菌的脂质在称为纳米圆盘的保护性颗粒内形成膜，然后将酶嵌入该膜中。

“通过在纳米盘内重建酶的原生环境，我们能够恢复酶的活性，”Koo 说。“然后，我们能够使用结构技术在原子水平上确定脂质双层如何恢复活性。这样做，我们发现了可能发生甲烷氧化的酶中铜位点的完整排列。”

研究人员使用了低温电子显微镜 (cryo-EM)，这是一种非常适合膜蛋白的技术，因为在整个实验过程中脂质膜环境不受干扰。这使他们能够首次以高分辨率可视化活性酶的原子结构。

“由于最近低温 EM 的‘分辨率革命’，我们能够看到原子细节的结构，”Rosenzweig 说。“我们所看到的完全改变了我们对这种酶活性位点的思考方式。”

Rosenzweig 说，低温电磁结构提供了一个新的起点来回答不断堆积的问题。甲烷如何到达酶活性位点?还是甲醇从酶中流出?活性位点中的铜如何进行化学反应?接下来，该团队计划使用称为冷冻电子断层扫描(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，确定它在真正的原生环境中是如何运作的，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。

“如果你想优化酶以将其插入生物制造途径或消耗甲烷以外的污染物，那么我们需要知道它在其原生环境中的样子以及甲烷结合的位置，”罗森茨威格说。“你可以使用带有工程酶的细菌从压裂现场收集甲烷或清理漏油。”

该研究的标题是“脂质双层中颗粒甲烷单加氧酶结构和活性的 恢复”。