这一见解是马克斯普朗克海洋微生物研究所几个研究小组密切合作的结果。塞德里克·哈恩 (Cedric Hahn) 和冈特·韦格纳 (Gunter Wegener) 周围的一个团队最近在加利福尼亚湾水深 2,000 米的瓜伊马斯盆地的热液喷口发现了降解乙烷的微生物。他们将其命名为 Ethanoperedens thermophilum，意思是“嗜热的乙烷食者”。来自分子生态学研究小组的博士生塞德里克·哈恩 (Cedric Hahn) 在实验室培养了降解乙烷的微生物。Hahn、Wegener 和微生物代谢研究小组的同事 Tristan Wagner 和 Olivier Lemaire 仔细研究了这些微生物。这项合作工作揭开了乙烷固定背后的秘密。“我们对我们的发现感到惊讶。除了全球相似性之外，
食乙烷者依赖与食甲烷者相同的酶
在深海沉积物中，地热导致有机物降解为石油和天然气，如乙烷。乙烷被不同的微生物消耗，形成所谓的联合体：古细菌分解天然气，细菌将过程中释放的电子与硫酸盐的还原结合起来，硫酸盐是海洋中一种丰富的化合物。食用乙烷的微生物的发现为研究带来了新鲜空气。与需要大量时间才能生长的以甲烷为食的微生物相比，乙烷专家的生长速度要快得多，而且每周翻一番。因此，减少了生物质生产的时间，这允许尝试对催化天然气氧化的关键酶进行纯化和表征。
为了测试催化乙烷和甲烷活化的酶之间的相似性，塞德里克·哈恩 (Cedric Hahn) 在他的培养物中添加了一种众所周知的甲烷氧化分子抑制剂。这种处理也消除了乙烷氧化。“这表明乙烷氧化古细菌在与甲烷降解/产生类似的酶促反应中激活乙烷，”塞德里克·哈恩说。此类酶是特里斯坦·瓦格纳 (Tristan Wagner) 研究它们多年的关键专业知识。
以惊人的精度可视化的结构
塞德里克哈恩和Olivier勒梅尔，现在见报的两个第一作者科学，然后试图净化负责乙烷固定的酶。“该项目极具挑战性，”Olivier Lemaire 说。“通常我们从含有一种微生物的培养物中提取大量生物质中的酶。然而，我们最终获得了足够数量的纯酶用于结构分析。”
下一个关键步骤是获得酶的晶体以确定其三维结构。“X 射线晶体学在这组酶上提供了以前的出色结果”，微生物代谢研究组负责人兼该技术专家 Tristan Wagner 说。“我们通过 X 射线衍射分析了这些晶体，并以前所未有的原子分辨率解析了酶结构。因此，我们可以确定单个原子的位置，从而获得极其精确的结构图片”。
该结构展示了几个前所未有的特征。“我们注意到，发生化学反应的催化室是捕获甲烷的酶的两倍大，考虑到乙烷比甲烷大，这是有道理的，”Olivier Lemaire 说。辅助因子，反应的催化剂，含有两个额外的甲基。这些甲基基团由马克斯普朗克陆地微生物研究所的 Jörg Kahnt 证实，他是该辅因子的全球专家。“我们发现了一种可能导致这些甲基化的蛋白质，它只存在于乙烷消费者中，”塞德里克·哈恩说。由于腔室体积更大，正常的辅助因子根本无法正确安装并会损害反应。辅因子上的甲基化将其锚定在正确的位置。
此外，酶包含连接外部和催化室的隧道。该隧道不存在于任何特征相似的酶中。研究人员通过与瑞士 Paul Scherrer 研究所的 Sylvain Engilberge 合作，通过实验证明了这条隧道的存在，在那里蛋白质晶体被氙气充气。在催化室和预测的气体隧道中检测到氙气，证明了它的存在。通过修饰的氨基酸和额外的延伸来维持和稳定隧道。
现在聚光灯转向丙烷和丁烷
酶结构说明了这些来自地热活跃渗漏的微生物是如何专门从事乙烷捕获的。这项工作可以更深入地了解乙烷降解的第一步，这是这些古细菌的唯一能量来源。“我们发现负责该过程的酶具有识别乙烷而不是其他烷烃的特定特征，这是向前迈出的一大步，但是对整个降解过程的理解还有很长的路要走，”特里斯坦瓦格纳总结道。
那么，如何进行研究呢?“我们之前的工作表明，较长烷烃的活化需要类似的酶，”Gunter Wegener 说。“下一步，我们想研究催化丙烷和丁烷活化的酶的具体特征。”
