Бактерии, питающиеся метаном, превращают парниковый газ в топливо
Метанокисляющие бактерии ежегодно потребляют 30 миллионов тонн метана и привлекают исследователей своей естественной способностью превращать мощный парниковый газ в пригодное топливо. Однако мы мало знаем о том, как происходит эта сложная реакция, что ограничивает нашу возможность использовать двойную выгоду.
Изучая фермент, который бактерии используют для катализа реакции, команда Северо-Западного университета обнаружила ключевые структуры, которые могут управлять этим процессом.
Их выводы, которые будут опубликованы в журнале Science, в конечном итоге могут привести к созданию искусственных биологических катализаторов, превращающих газообразный метан в метанол.
«У метана очень прочная связь, поэтому довольно удивительно, что существует фермент, способный на это», — сказала Эми Розенцвейг, старший автор статьи. «Если мы не поймем, как именно фермент осуществляет эту сложную химию, мы не сможем спроектировать и оптимизировать его для биотехнологических применений».
Фермент, называемый particulate methane monooxygenase (pMMO), особенно трудно изучать, поскольку он встроен в клеточную мембрану бактерий.
В этом исследовании команда использовала совершенно новую технику. Кристофер Ку, первый автор и кандидат наук в лаборатории Розенцвейг, использовал липиды бактерий для формирования мембраны внутри защитной частицы, называемой нанодиском, а затем встроил фермент в эту мембрану.
«Воссоздав естественную среду фермента внутри нанодиска, мы смогли восстановить его активность», — сказал Ку. «Затем мы смогли использовать структурные методы, чтобы определить на атомном уровне, как липидный бислой восстанавливает активность. При этом мы обнаружили полное расположение медного центра в ферменте, где, вероятно, происходит окисление метана».
Исследователи использовали крио-электронную микроскопию (cryo-EM), метод, хорошо подходящий для мембранных белков, поскольку липидная мембранная среда не нарушается на протяжении всего эксперимента. Это позволило им впервые визуализировать атомную структуру активного фермента с высоким разрешением.
«Как следствие недавней "революции разрешения" в cryo-EM, мы смогли увидеть структуру в атомных деталях», — сказала Розенцвейг. «То, что мы увидели, полностью изменило наше представление об активном центре этого фермента».
Далее команда планирует изучить фермент непосредственно в бактериальной клетке с помощью передовой методики визуализации — крио-электронной томографии (cryo-ET).
«Если вы хотите оптимизировать фермент, чтобы встроить его в пути биопроизводства или для потребления других загрязнителей, кроме метана, то нам нужно знать, как он выглядит в своей естественной среде и где связывается метан», — сказала Розенцвейг. «Вы могли бы использовать бактерии с инженерным ферментом для сбора метана на местах гидроразрыва пласта или для очистки разливов нефти».
Исследование озаглавлено «Восстановление структуры и активности партикулярной метанмонооксигеназы в липидном бислое».