Показана структура фермента, который перерабатывает метан
Американские ученые из Северо-Западного университета впервые представили атомную структуру фермента, который бактерии используют для переработки метана в метанол. В будущем эта информация поможет для разработки более эффективных биокатализаторов. Статья об исследовании опубликована в журнале Science.
Так называемые метанотрофные бактерии поглощают 30 млн тонн метана в год. Они привлекли внимание ученых благодаря способности перерабатывать этот парниковый газ в биотопливо. Однако на данный момент очень мало известно по поводу того, как именно происходит процесс переработки метана в этих бактериях. Например, связи между углеродом и водородом очень прочные, поэтому удивительно, что один только фермент может их разрушить.
Исследователи рассмотрели мембранносвязанный фермент метанмонооксигеназу (ММО), с помощью которого метанотрофные бактерии окисляют метан до метанола. Его трудно изучать, потому что он находится в мембране бактерий. Обычно ученые используют раствор ПАВ, чтобы разрушить клеточные мембраны микроорганизмов и выделить этот фермент. Хотя такая процедура успешно изолирует фермент, он теряет свою активность, поэтому ученые могут получить мало информации о нем. Это как изучать сердце, которое не может биться. Поэтому в новой работе ученые воспользовались другим методом. Они поместили изолированный фермент в липидный нанодиск, смоделировав его стандартное окружение — мембрану. Это помогло вернуть активность ММО.
С помощью криоэлектронной микроскопии ученые впервые установили атомную структуру ММО. Это позволило получить данные о строении медь-содержащего белка, который входит в состав фермента. Именно с ним связывается молекула метана. Полученная таким образом структура ММО служит начальной точкой для того, чтобы ответить на ряд вопросов о работе фермента. Как метан попадает в активный центр фермента? Как метанол выходит из фермента? Каким образом атом меди, который содержится в активном центре, участвует в химической реакции? В будущем ученые планируют получить еще больше информации, исследовав ММО в целой клетке бактерии. Для этого будет использован метод криоэлектронной томографии.
«Если мы хотим оптимизировать фермент так, чтобы его можно было использовать в промышленности или чтобы он мог перерабатывать и другие загрязнители помимо метана, то нужно знать, как этот фермент выглядит в нативной среде, а также как с ним связывается субстрат — метан. Бактерий, содержащих этот фермент, можно использовать для сбора метана в местах гидроразрыва в нефтяных и газовых скважинах, а также для удаления нефтяных разливов», — пояснила Эми Розенцвейг, главный автор работы.