Methan fressende Bakterien wandeln Treibhausgase in Treibstoff um

Methanotrophe Bakterien verbrauchen 30 Millionen Tonnen Methan pro Jahr und haben Forscher wegen ihrer natürlichen Fähigkeit, das starke Treibhausgas in nutzbaren Kraftstoff umzuwandeln, fasziniert. Wir wissen jedoch sehr wenig darüber, wie die komplexe Reaktion abläuft, was unsere Fähigkeit einschränkt, den doppelten Vorteil zu unserem Vorteil zu nutzen.

Durch die Untersuchung des Enzyms, mit dem die Bakterien die Reaktion katalysieren, hat ein Team der Northwestern University nun Schlüsselstrukturen entdeckt, die den Prozess antreiben könnten.

Ihre Ergebnisse werden am Freitag (18. März) in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftkönnte letztendlich zur Entwicklung von menschengemachten biologischen Katalysatoren führen, die Methangas in Methanol umwandeln.

„Methan hat eine sehr starke Bindung, daher ist es ziemlich bemerkenswert, dass es ein Enzym gibt, das dies tun kann“, sagte Amy Rosenzweig von Northwestern, Seniorautorin der Veröffentlichung. „Wenn wir nicht genau verstehen, wie das Enzym diese schwierige Chemie durchführt, werden wir nicht in der Lage sein, es für biotechnologische Anwendungen zu konstruieren und zu optimieren.“

Rosenzweig ist Distinguished Professor of Life Sciences der Familie Weinberg am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern, wo sie sowohl molekulare Biowissenschaften als auch Chemie innehat.

Das Enzym mit der Bezeichnung Partikuläre Methanmonooxygenase (pMMO) ist ein besonders schwierig zu untersuchendes Protein, da es in die Zellmembran der Bakterien eingebettet ist.

Wenn Forscher diese methanotrophen Bakterien untersuchen, wenden sie normalerweise einen harten Prozess an, bei dem die Proteine ​​​​mit einer Reinigungslösung aus den Zellmembranen herausgerissen werden. Während dieses Verfahren das Enzym effektiv isoliert, tötet es auch die gesamte Enzymaktivität und begrenzt die Menge an Informationen, die Forscher sammeln können – wie die Überwachung eines Herzens ohne den Herzschlag.

In dieser Studie verwendete das Team eine völlig neue Technik. Christopher Koo, der Erstautor und ein Ph.D. Kandidat in Rosenzweigs Labor, fragten sich, ob sie etwas Neues lernen könnten, indem sie das Enzym wieder in eine Membran einbringen, die ihrer natürlichen Umgebung ähnelt. Koo verwendete Lipide aus den Bakterien, um eine Membran innerhalb eines schützenden Partikels namens Nanodisc zu bilden, und bettete dann das Enzym in diese Membran ein.

„Durch die Wiederherstellung der natürlichen Umgebung des Enzyms innerhalb der Nanoscheibe konnten wir die Aktivität des Enzyms wiederherstellen“, sagte Koo. „Dann konnten wir mithilfe von Strukturtechniken auf atomarer Ebene bestimmen, wie die Lipiddoppelschicht die Aktivität wiederherstellte. Dabei entdeckten wir die vollständige Anordnung der Kupferstelle im Enzym, an der wahrscheinlich eine Methanoxidation stattfindet.“

Die Forscher verwendeten Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), eine Technik, die für Membranproteine ​​gut geeignet ist, da die Lipidmembranumgebung während des gesamten Experiments ungestört ist. Damit konnten sie erstmals die atomare Struktur des aktiven Enzyms in hoher Auflösung sichtbar machen.

„Als Folge der jüngsten ‚Auflösungsrevolution‘ in der Kryo-EM konnten wir die Struktur im atomaren Detail sehen“, sagte Rosenzweig. „Was wir gesehen haben, hat unsere Denkweise über das aktive Zentrum dieses Enzyms völlig verändert.“

Rosenzweig sagte, dass die Kryo-EM-Strukturen einen neuen Ausgangspunkt bieten, um die Fragen zu beantworten, die sich weiterhin häufen. Wie gelangt Methan zum aktiven Zentrum des Enzyms? Oder Methanol aus dem Enzym austreten? Wie führt das Kupfer im aktiven Zentrum die chemische Reaktion durch? Als nächstes plant das Team, das Enzym direkt in der Bakterienzelle zu untersuchen, indem es eine hochmoderne Bildgebungstechnik namens Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) verwendet.

Wenn dies gelingt, können die Forscher genau sehen, wie das Enzym in der Zellmembran angeordnet ist, bestimmen, wie es in seiner wirklich natürlichen Umgebung funktioniert, und erfahren, ob andere Proteine ​​um das Enzym herum mit ihm interagieren. Diese Entdeckungen würden Ingenieuren ein wichtiges fehlendes Bindeglied liefern.

„Wenn Sie das Enzym optimieren wollen, um es in Bioproduktionswege einzubinden oder andere Schadstoffe als Methan zu verbrauchen, müssen wir wissen, wie es in seiner natürlichen Umgebung aussieht und wo das Methan bindet“, sagte Rosenzweig. „Sie könnten Bakterien mit einem konstruierten Enzym verwenden, um Methan von Fracking-Standorten zu gewinnen oder Ölverschmutzungen zu beseitigen.“

Die Studie trägt den Titel „Wiederherstellung der Struktur und Aktivität der partikulären Methanmonooxygenase in einer Lipiddoppelschicht“.