Поедающие метан бактерии превращают парниковый газ в топливо

Метанотрофные бактерии потребляют 30 миллионов метрических тонн метана в год и привлекли внимание исследователей своей естественной способностью превращать мощный парниковый газ в пригодное для использования топливо. Тем не менее, мы очень мало знаем о том, как происходит сложная реакция, что ограничивает нашу способность использовать двойную выгоду в свою пользу.

Крио-ЭМ осветил ранее невиданные структуры в мембране белка. Предоставлено: Северо-Западный университет.

Изучая фермент, который бактерии используют для катализа реакции, команда Северо-Западного университета обнаружила ключевые структуры, которые могут управлять процессом.

Их результаты, которые будут опубликованы в пятницу (18 марта) в журнале Science, в конечном итоге могут привести к разработке искусственных биологических катализаторов, которые превращают газообразный метан в метанол.

«У метана очень сильная связь, поэтому удивительно, что существует фермент, который может это сделать», — сказала Эми Розенцвейг из Northwestern, старший автор статьи. «Если мы точно не понимаем, как фермент выполняет эту сложную химию, мы не сможем разработать и оптимизировать его для биотехнологических приложений».

Розенцвейг является заслуженным профессором наук о жизни семьи Вайнбергов в Северо-Западном колледже искусств и наук имени Вайнберга, где она занимает должности как в области молекулярной биологии, так и в области химии. фохоу

Фермент, называемый метанмонооксигеназой в виде твердых частиц (pMMO), является особенно сложным белком для изучения, поскольку он встроен в клеточную мембрану бактерий.

Как правило, когда исследователи изучают эти метанотрофные бактерии, они используют жесткий процесс, при котором белки вырываются из клеточных мембран с помощью раствора детергента. Хотя эта процедура эффективно изолирует фермент, она также убивает всю активность фермента и ограничивает объем информации, которую исследователи могут собрать — например, мониторинг сердца без сердцебиения.

В этом исследовании команда использовала полностью новую технику. Кристофер Ку, первый автор и доктор философии. Кандидат в лабораторию Розенцвейга задался вопросом, смогут ли они узнать что-то новое, поместив фермент обратно в мембрану, которая напоминает его родную среду. Ку использовал липиды бактерий для формирования мембраны внутри защитной частицы, называемой нанодиском, а затем внедрил фермент в эту мембрану.

«Воссоздав нативную среду фермента внутри нанодиска, мы смогли восстановить активность фермента», — сказал Ку. «Затем мы смогли использовать структурные методы, чтобы определить на атомном уровне, как липидный бислой восстанавливает активность. При этом мы обнаружили полное расположение участка меди в ферменте, где, вероятно, происходит окисление метана».

Исследователи использовали криоэлектронную микроскопию (крио-ЭМ), метод, хорошо подходящий для мембранных белков, потому что среда липидной мембраны не нарушается на протяжении всего эксперимента. Это позволило им впервые визуализировать атомную структуру активного фермента с высоким разрешением.

«В результате недавней «революции разрешения» в крио-ЭМ мы смогли увидеть структуру в атомарных деталях», — сказал Розенцвейг. «То, что мы увидели, полностью изменило наши представления об активном центре этого фермента».

Розенцвейг сказал, что крио-ЭМ структуры обеспечивают новую отправную точку для ответов на вопросы, которые продолжают накапливаться. Как метан попадает в активный центр фермента? Или метанол выходит из фермента? Как медь в активном центре вступает в химическую реакцию? Затем команда планирует изучить фермент непосредственно внутри бактериальной клетки, используя передовой метод визуализации, называемый криоэлектронной томографией (крио-ЭТ).

В случае успеха исследователи смогут точно увидеть, как фермент устроен в клеточной мембране, определить, как он работает в своей действительно естественной среде, и узнать, взаимодействуют ли с ним другие белки вокруг фермента. Эти открытия обеспечат инженерам ключевое недостающее звено.

«Если вы хотите оптимизировать фермент, чтобы подключить его к путям биопроизводства или потреблять загрязняющие вещества, отличные от метана, нам нужно знать, как он выглядит в естественной среде и где связывается метан», — сказал Розенцвейг. «Вы можете использовать бактерии со сконструированным ферментом для сбора метана с участков фрекинга или для очистки разливов нефти».

Исследование называется «Восстановление структуры и активности метанмонооксигеназы в виде частиц в липидном бислое».