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溫室氣體，對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的輻射具有很好的通透性，但對(duì)地球散發(fā)到太空的輻射有很好的阻擋性，因此會(huì)讓來(lái)自太陽(yáng)的熱量“易進(jìn)難出”，形成一個(gè)“溫室”，造成全球變暖。

甲烷，是一種很強(qiáng)的溫室氣體，對(duì)地球向太空散發(fā)的紅外輻射的反射率是二氧化碳的21倍，而且吸收同樣的熱量，甲烷升高的溫度要比二氧化碳要高，因此，在提倡減少碳排放的今天，甲烷是一種不容小覷的氣體。

令人幸喜的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有一種叫甲烷營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌（Methanotrophic bacteria）的微生物，在全球范圍內(nèi)，每年消耗3000萬(wàn)公噸甲烷，并最終轉(zhuǎn)化為易保存的燃料。然而，科學(xué)家們此前對(duì)這種復(fù)雜反應(yīng)是如何發(fā)生的知之甚少，這限制了我們利用這一雙重優(yōu)勢(shì)的能力。

在最近發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志的一項(xiàng)新研究中，來(lái)自美國(guó)西北大學(xué)的一個(gè)研究小組通過(guò)研究細(xì)菌用來(lái)催化反應(yīng)的酶，發(fā)現(xiàn)了可能推動(dòng)反應(yīng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究成果最終可能會(huì)讓科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出能將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的人造生物催化劑。

西北大學(xué)的艾米·羅森茨威格（Amy Rosenzweig）說(shuō)：“甲烷有很強(qiáng)的鍵，要讓它轉(zhuǎn)化為甲醇并不容易，但這種細(xì)菌中的酶可以做到這一點(diǎn)，這是非常值得注意的。但如果我們不能確切地理解這種酶是如何催化這種困難的化學(xué)反應(yīng)的，我們就無(wú)法為生物技術(shù)應(yīng)用做出設(shè)計(jì)和優(yōu)化?！绷_森茨威格是西北大學(xué)杰出的生命科學(xué)教授，她在該大學(xué)的分子生物科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)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(zhì)，因?yàn)樗度爰?xì)菌的細(xì)胞膜中。此前，當(dāng)研究人員研究這些甲烷營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌時(shí)，他們會(huì)使用一個(gè)嚴(yán)酷的過(guò)程，即用洗滌劑溶液將蛋白質(zhì)從細(xì)胞膜上剝離。雖然這一過(guò)程有效地剝離了酶，但它也殺死了所有酶的活性，并限制了研究人員可以收集的信息量。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)完全使用了一種新技術(shù)。羅森茨威格實(shí)驗(yàn)室的博士候選人克里斯托弗·古（Christopher Koo）想知道，通過(guò)將這種酶放回一種類似其自然環(huán)境的膜中，他們是否可以有更多的新發(fā)現(xiàn)。他利用細(xì)菌中的脂質(zhì)在一種叫納米盤(pán)的保護(hù)性顆粒內(nèi)形成一層膜，然后將酶嵌入該膜中。

“通過(guò)在納米盤(pán)中重建酶的自然環(huán)境，我們能夠恢復(fù)酶的活性，”古說(shuō)?！叭缓?，我們能夠使用結(jié)構(gòu)技術(shù)在原子水平上確定脂質(zhì)雙層是如何恢復(fù)活性的。通過(guò)這樣做，我們發(fā)現(xiàn)了酶中可能發(fā)生甲烷氧化的銅位點(diǎn)的完整排列?！?/p>

研究人員使用了低溫電子顯微鏡，這是一種非常適合于膜蛋白的技術(shù)，因?yàn)樵谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，脂膜環(huán)境不會(huì)受到干擾。這使他們第一次以高分辨率觀察到活性酶的原子結(jié)構(gòu)。

羅森茨威格說(shuō)：“由于最近在低溫電子顯微鏡中的‘分辨率革命’，我們能夠看到原子結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。我們所看到的完全改變了我們對(duì)這種酶活性部位的看法?！?/p>

低溫電磁結(jié)構(gòu)為回答不斷堆積的問(wèn)題提供了一個(gè)新的起點(diǎn)。甲烷如何進(jìn)入酶活性部位？還是甲醇從酶中排出？活性部位的銅是如何進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的？下一步，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用一種名為冷凍電子斷層成像的前沿成像技術(shù)直接研究細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的酶。如果成功，研究人員將能夠準(zhǔn)確地看到酶在細(xì)胞膜中的排列方式，確定它在真正的自然環(huán)境中如何運(yùn)作，并了解酶周圍的其他蛋白質(zhì)是否與它相互作用。

羅森茨威格說(shuō)：“如果你想優(yōu)化這種酶，將其插入生物制造途徑，或者消耗除甲烷以外的污染物，那么我們需要知道它在自然環(huán)境中的樣子，以及甲烷在哪里結(jié)合。”

研究人員還需要做更多的工作去研究這種細(xì)菌以及它們那能將甲烷快速轉(zhuǎn)化為甲醇的酶，才能生產(chǎn)出大量的人造生物催化劑，將大氣中的甲烷轉(zhuǎn)化為清潔燃料。

標(biāo)簽： 溫室氣體