嗜甲烷細菌（也稱甲烷氧化細菌）每年消耗近3000萬噸的甲烷，並因其將強大的溫室氣體轉化為可用燃料的自然能力而吸引了研究人員的注意。然而，研究人員對這一複雜的反應是如何發生的知之甚少，限制了他們利用這一雙重優勢的能力。通過研究細菌用來催化該反應的酶，美國西北大學的一個團隊現在已經發現了可能驅動該過程的關鍵結構。
他們的發現將於3月18日發表在《科學》雜誌上，最終可能導致開發出將甲烷氣體轉化為甲醇的人造生物催化劑。
論文的資深作者、西北大學的Amy Rosenzweig說：“甲烷有很強的結合力，所以有一種酶可以做到這一點，這非常了不起。如果我們不確切了解該酶是如何進行這種困難的化學反應的，我們就無法為生物技術應用設計和優化它。”
Rosenzweig是西北大學溫伯格文理學院生命科學的Weinberg Family特聘教授，她在分子生物科學和化學領域都有任職。
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，因為它被嵌入了細菌的細胞膜中。
通常情況下，當研究人員研究這些甲烷細菌時，他們使用一種嚴格的程序，即用一種洗滌劑溶液將蛋白質從細胞膜上撕下來。雖然這個過程有效地隔離了酶，但它也殺死了所有的酶的活性，並限制了研究人員能夠收集多少信息–就像監測一個沒有心跳的心臟。
在這項研究中，該團隊完全使用了一種新的技術。Christopher Koo是第一作者，也是Rosenzweig實驗室的博士生，他想知道通過將酶放回類似於其原生環境的膜中，他們是否能學到一些新東西。Koo利用來自細菌的脂質在一個被稱為納米盤的保護性顆粒內形成一個膜，然後將酶嵌入該膜中。
Koo說：“通過在納米盤內重新創造酶的本地環境，我們能夠恢復酶的活性。然後，我們能夠使用結構技術在原子水平上確定脂質雙分子層是如何恢復活性的。在這樣做的過程中，我們發現了酶中可能發生甲烷氧化的銅位點的完整排列。”
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，因為在整個實驗過程中，脂質膜環境沒有受到干擾。這使他們能夠首次高分辨率地觀察到活性酶的原子結構。
Rosenzweig說：“作為最近低溫電子顯微鏡‘分辨率革命’的結果，我們能夠看到原子級的結構細節。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。”
Rosenzweig表示，低溫電子顯微鏡結構為回答繼續堆積的問題提供了一個新的起點。甲烷是如何進入酶的活性部位的？或者甲醇是如何走出酶的？活性部位的銅是如何進行化學反應的？接下來，研究小組計劃使用一種稱為低溫電子斷層掃描（cryo-ET）的前沿成像技術直接在細菌細胞內研究該酶。
如果成功的話，研究人員將能夠準確地看到該酶在細胞膜中的排列方式，確定它在真正的本地環境中如何運作，並了解該酶周圍的其他蛋白質是否與它相互作用。這些發現將為工程師提供一個關鍵的缺失環節。
Rosenzweig說：“如果你想優化這種酶，把它插入生物製造途徑或消耗甲烷以外的污染物，那麼我們需要知道它在本地環境中是什麼樣子，以及甲烷在哪裡結合。你可以用帶有工程酶的細菌從壓裂現場採集甲烷，或者清理石油泄漏。”