Метан является мощным парниковым газом, и его уровень в атмосфере неуклонно растет.
Микроорганизмы, которые потребляют метан, называемые метанотрофными бактериями, потенциально могут быть использованы для преобразования метана в топливо. Ученые обнаружили фермент под названием монооксигеназа метановых частиц (pMMO), который играет важную роль в этом процессе, что может помочь использовать метанотрофные бактерии для получения метанола. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Монооксигеназа частиц метана (pMMO) является ключевым ферментом для метаболизма метана аэробными метанотропными бактериями. Существует значительный интерес к пониманию этой реакции, как в качестве фундаментальной биогеохимической трансформации, так и для потенциального биотехнологического применения, но прогресс был затруднен инактивацией этого мембраносвязанного металлофермента при очистке.
Старший автор исследования Эми Розенцвейг отмечает, что для разрушения прочной связи в метане требуется "необычный" фермент. "Если мы не поймем, как именно фермент осуществляет эту сложную химическую операцию, мы не сможем разработать и оптимизировать его для биотехнологического применения", - добавляет она. Фермент pMMO находится в мембране бактериальной клетки, что затрудняет его изучение. Обычно мембрану приходится разрывать с помощью жестких детергентов, чтобы освободить белки и выделить их для изучения. Однако этот процесс разрушает ферментативные возможности молекулы, что ограничивает возможности ее изучения.
В данной работе исследователи применили новый подход. Вместо того чтобы выделять фермент, они поместили его в частицу под названием нанодиск, изготовленную из бактериальных липидов наподобие мембраны для имитации естественной среды и восстановления ферментативной активности. Исследователи восстановили нативный pMMO в липидных нанодисках и обнаружили, что восстановление липидной оболочки также восстанавливает активность фермента. Чтобы визуализировать действие фермента на атомном уровне, исследователи использовали криоэлектронную микроскопию. "При этом мы обнаружили всю структуру участка фермента, который содержит медь и где, вероятно, происходит окисление метана", - говорит Розенцвейг. Результаты этой работы "полностью изменили наши представления об активном участке этого фермента", - подчеркивает она.
Используя технологию нанодисков, исследователи, возможно, смогут использовать фермент в биопроизводстве метанола, для очистки нефтяных загрязнений или для сбора метана, который сейчас выбрасывается из мест гидроразрыва пластов.
