Исследование бактерий для переработки парникового газа в топливо

Метанотрофные бактерии потребляют около 30 млн тонн метана в год. Они привлекли внимание исследователей своей естественной способностью по переработке парникового газа в пригодное для использования топлива. Однако до сих пор мало что известно о том, как идёт эта сложная реакция. Это ограничивает получение пользы от таких бактерий.

Эми Розенцвейг из Northwestern сказала, что метан имеет очень сильную связь. Поэтому удивительно, что существует фермент, который может осуществлять его переработку. Но нужно понять, по какому механизму проходит этот сложный химический процесс, говорит она. Тогда его можно будет усовершенствовать и оптимизировать для различных биотехнологических приложений. Эми Розенцвейг в Северо-Западном университете работает по таким направлениям, как химия и молекулярная биология.

Исследователи назвали изучаемый фермент метанмонооксигеназой в виде твердых частиц (pMMO). Это особенно сложный белок в плане изучения, поскольку он встроен в клеточную мембрану бактерий.

Как правило, когда учёные занимаются изучением этих метанотрофных бактерий, они используют жёсткий процесс, при котором происходит вырывание белков из клеточных мембран, для чего используется раствор детергента. Эта процедура позволяет эффективно изолировать фермент, но при этом она убивает всю ферментную активность. Поэтому ограничивается объём собираемой информации. В проведённом исследовании команда учёных решила использовать другую технику исследований. Руководитель исследования, доктор Кристофер Ку, задался вопросом, смогут ли они при помещении фермента обратно в мембрану, напоминающую его родную среду, узнать о нём нечто новое. Для формирования мембраны внутри защитной частицы (нанодиск) они использовали липиды бактерий. После этого они внедрили фермент в эту мембрану.

Ку отметил, что благодаря восстановлению родной среды фермента внутри нанодиска, им удалось восстановить активность фермента. После этого они смогли использовать структурные методы, чтобы определить на атомном уровне, как липидный бислой восстанавливает активность. Учёным удалось обнаружить полное расположение участка меди в ферменте. По их мнению, там происходит окисление метана.

Для наблюдений исследовательская группа применяла криоэлектронную микроскопию (cryo-EM). Этот метод хорошо подходит для мембранных белков, поскольку при этом на протяжении всего эксперимента не нарушается среда липидной мембраны. В результате, учёные смогли впервые сделать визуализацию атомной структуры активного фермента с высоким разрешением. Эми Розенцвейг сказала, что с помощью крио-ЭМ им удалось увидеть всю структуру в атомарных деталях. Это полностью изменило их представление об активном центре данного фермента.

По мнению Розенцвейг, cryo-EM структуры обеспечивают новую отправную точку для ответов на накопившиеся вопросы.

• Как метан попадает в активный центр фермента?
• Или метанол выходит из фермента?
• Как медь в активном центре вступает в химическую реакцию?

Команда учёных планируют изучить фермент непосредственно внутри бактериальной клетки с помощью передового метода визуализации cryo-EM. В случае успеха этого исследования, учёные смогут точно увидеть, как фермент встроен в клеточной мембране. Они также смогут понять, как он работает в своей естественной среде и взаимодействуют ли с ним другие белки. Все эти открытия дадут учёным недостающую на данный момент информацию.

Розенцвейг заключает, что если нужно оптимизировать фермент и подключить его к биопроизводству, то нужно иметь данные о том, как он выглядит в естественной среде и где связывается метан. Тогда можно будет использовать эти бактерии со специальным ферментом для сбора метана с участков фрекинга или для очистки разливов нефти. Описание результатов исследования представлено здесь.