温室气体，对来自太阳的辐射具有很好的通透性，但对地球散发到太空的辐射有很好的阻挡性，因此会让来自太阳的热量“易进难出”，形成一个“温室”，造成全球变暖。

甲烷，是一种很强的温室气体，对地球向太空散发的红外辐射的反射率是二氧化碳的21倍，而且吸收同样的热量，甲烷升高的温度要比二氧化碳要高，因此，在提倡减少碳排放的今天，甲烷是一种不容小觑的气体。

令人幸喜的是，科学家们发现，有一种叫甲烷营养细菌（Methanotrophic bacteria）的微生物，在全球范围内，每年消耗3000万公吨甲烷，并最终转化为易保存的燃料。然而，科学家们此前对这种复杂反应是如何发生的知之甚少，这限制了我们利用这一双重优势的能力。

在最近发表于《科学》（Science）杂志的一项新研究中，来自美国西北大学的一个研究小组通过研究细菌用来催化反应的酶，发现了可能推动反应的关键结构。这项研究成果最终可能会让科学家们开发出能将甲烷转化为甲醇的人造生物催化剂。

西北大学的艾米·罗森茨威格（Amy Rosenzweig）说：“甲烷有很强的键，要让它转化为甲醇并不容易，但这种细菌中的酶可以做到这一点，这是非常值得注意的。但如果我们不能确切地理解这种酶是如何催化这种困难的化学反应的，我们就无法为生物技术应用做出设计和优化。”罗森茨威格是西北大学杰出的生命科学教授，她在该大学的分子生物科学和化学领域都有任职。

这种被称为颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）的酶是一种特别难以研究的蛋白质，因为它嵌入细菌的细胞膜中。此前，当研究人员研究这些甲烷营养细菌时，他们会使用一个严酷的过程，即用洗涤剂溶液将蛋白质从细胞膜上剥离。虽然这一过程有效地剥离了酶，但它也杀死了所有酶的活性，并限制了研究人员可以收集的信息量。

在这项研究中，团队完全使用了一种新技术。罗森茨威格实验室的博士候选人克里斯托弗·古（Christopher Koo）想知道，通过将这种酶放回一种类似其自然环境的膜中，他们是否可以有更多的新发现。他利用细菌中的脂质在一种叫纳米盘的保护性颗粒内形成一层膜，然后将酶嵌入该膜中。

“通过在纳米盘中重建酶的自然环境，我们能够恢复酶的活性，”古说。“然后，我们能够使用结构技术在原子水平上确定脂质双层是如何恢复活性的。通过这样做，我们发现了酶中可能发生甲烷氧化的铜位点的完整排列。”

研究人员使用了低温电子显微镜，这是一种非常适合于膜蛋白的技术，因为在整个实验过程中，脂膜环境不会受到干扰。这使他们第一次以高分辨率观察到活性酶的原子结构。

罗森茨威格说：“由于最近在低温电子显微镜中的‘分辨率革命’，我们能够看到原子结构的细节。我们所看到的完全改变了我们对这种酶活性部位的看法。”

低温电磁结构为回答不断堆积的问题提供了一个新的起点。甲烷如何进入酶活性部位？还是甲醇从酶中排出？活性部位的铜是如何进行化学反应的？下一步，该团队计划使用一种名为冷冻电子断层成像的前沿成像技术直接研究细菌细胞内的酶。如果成功，研究人员将能够准确地看到酶在细胞膜中的排列方式，确定它在真正的自然环境中如何运作，并了解酶周围的其他蛋白质是否与它相互作用。

罗森茨威格说：“如果你想优化这种酶，将其插入生物制造途径，或者消耗除甲烷以外的污染物，那么我们需要知道它在自然环境中的样子，以及甲烷在哪里结合。”

研究人员还需要做更多的工作去研究这种细菌以及它们那能将甲烷快速转化为甲醇的酶，才能生产出大量的人造生物催化剂，将大气中的甲烷转化为清洁燃料。

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