Современный метод исследований позволили выявить невиданные ранее атомные структуры, контролирующие процесс переработки бактериями метана в экологиески безвредное топливо. Об этом сообщает научный портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Метанотрофные («поедающие метан») бактерии потребляют 30 миллионов метрических тонн метана в год, и они привлекли внимание исследователей своей естественной способностью превращать наиболее массовый парниковый газ в пригодное для использования топливо. Тем не менее, все еще очень мало известно о том, как именно происходит эта сложная реакция, что ограничивает способность ученых и инженеров использовать такую «двойную выгоду».
Изучая фермент, который метанотрофные бактерии используют для катализа реакции, научная команда Университета Нортуэстерн (частного исследовательского университета в городе-спутнике Чикаго Эванстон, США) обнаружила ключевые структуры, которые могут управлять процессом. Результаты их исследования, опубликованного в журнале Science, в конечном итоге могут привести к разработке искусственных биологических катализаторов, которые превращают газообразный метан в метанол.
«Метан имеет очень крепкую межатомную связь, поэтому удивительно, что обнаружился фермент, который способен ее разорвать. Пока мы точно не поймем, как фермент выполняет эту сложную химическую реакцию, мы не сможем разработать и оптимизировать процесс для биотехнологических приложений», – сказала Эми Розенцвейг из Northwestern, старший автор исследования.
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 «вырывания» белков из клеточных мембран с помощью раствора детергента. Хотя эта процедура эффективно изолирует фермент, она также убивает всю ферментную активность и ограничивает объем информации, которую исследователи могут собрать.
В исследовании команды Northwestern использовалась совершенно иная методика. Кристофер Ку, соавтор работы и сотрудник лаборатории Розенцвейг, задался вопросом, смогут ли они, поместив фермент обратно в мембрану, напоминающую его родную среду, узнать что-то новое. Ку использовал липиды бактерий для формирования мембраны внутри защитной частицы, называемой нанодиском, а затем внедрил фермент в эту мембрану, восстановив тем самым его полноценную активность.
«Затем мы смогли использовать структурные методы, чтобы определить на атомном уровне, как липидный бислой восстанавливает активность. При этом мы обнаружили определенное расположение участка меди в ферменте, где, по всей видимости, и происходит окисление метана», – пояснил Ку.
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 мы смогли увидеть структуру в атомарных деталях. Это полностью изменило наши представления об активном центре этого фермента», – сказала Розенцвейг. Она отметила, что крио-ЭМ обеспечила пока что лишь новую отправную точку для ответов на вопросы, которые продолжают накапливаться. Например, как метан попадает в активный центр фермента? Как метанол выходит из фермента? Как медь в активном центре вступает в химическую реакцию?
В дальнейшем команда Northwestern планирует изучить фермент непосредственно внутри бактериальной клетки, используя еще один 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 встанет цель оптимизировать фермент, чтобы подключить его к путям биопроизводства или применить к загрязняющим веществам, отличным от метана, нам нужно знать, как процесс проистекает в естественной среде. Бактерии со сконструированным ферментом можно также использовать для сбора метана с участков крекинга или для очистки разливов нефти», – утверждает Розенцвейг.