溫室氣體，對來自太陽的輻射具有很好的通透性，但對地球散發到太空的輻射有很好的阻擋性，因此會讓來自太陽的熱量“易進難出”，形成一個“溫室”，造成全球變暖。

甲烷，是一種很強的溫室氣體，對地球向太空散發的紅外輻射的反射率是二氧化碳的21倍，而且吸收同樣的熱量，甲烷升高的溫度要比二氧化碳要高，因此，在提倡減少碳排放的今天，甲烷是一種不容小覷的氣體。

令人幸喜的是，科學家們發現，有一種叫甲烷營養細菌（Methanotrophic bacteria）的微生物，在全球范圍內，每年消耗3000萬公噸甲烷，并最終轉化為易保存的燃料。然而，科學家們此前對這種復雜反應是如何發生的知之甚少，這限制了我們利用這一雙重優勢的能力。

在最近發表于《科學》（Science）雜志的一項新研究中，來自美國西北大學的一個研究小組通過研究細菌用來催化反應的酶，發現了可能推動反應的關鍵結構。這項研究成果最終可能會讓科學家們開發出能將甲烷轉化為甲醇的人造生物催化劑。

西北大學的艾米·羅森茨威格（Amy Rosenzweig）說：“甲烷有很強的鍵，要讓它轉化為甲醇并不容易，但這種細菌中的酶可以做到這一點，這是非常值得注意的。但如果我們不能確切地理解這種酶是如何催化這種困難的化學反應的，我們就無法為生物技術應用做出設計和優化。”羅森茨威格是西北大學杰出的生命科學教授，她在該大學的分子生物科學和化學領域都有任職。

這種被稱為顆粒甲烷單加氧酶（pMMO）的酶是一種特別難以研究的蛋白質，因為它嵌入細菌的細胞膜中。此前，當研究人員研究這些甲烷營養細菌時，他們會使用一個嚴酷的過程，即用洗滌劑溶液將蛋白質從細胞膜上剝離。雖然這一過程有效地剝離了酶，但它也殺死了所有酶的活性，并限制了研究人員可以收集的信息量。

在這項研究中，團隊完全使用了一種新技術。羅森茨威格實驗室的博士候選人克里斯托弗·古（Christopher Koo）想知道，通過將這種酶放回一種類似其自然環境的膜中，他們是否可以有更多的新發現。他利用細菌中的脂質在一種叫納米盤的保護性顆粒內形成一層膜，然后將酶嵌入該膜中。

“通過在納米盤中重建酶的自然環境，我們能夠恢復酶的活性，”古說。“然后，我們能夠使用結構技術在原子水平上確定脂質雙層是如何恢復活性的。通過這樣做，我們發現了酶中可能發生甲烷氧化的銅位點的完整排列。”

研究人員使用了低溫電子顯微鏡，這是一種非常適合于膜蛋白的技術，因為在整個實驗過程中，脂膜環境不會受到干擾。這使他們第一次以高分辨率觀察到活性酶的原子結構。

羅森茨威格說：“由于最近在低溫電子顯微鏡中的‘分辨率革命’，我們能夠看到原子結構的細節。我們所看到的完全改變了我們對這種酶活性部位的看法。”

低溫電磁結構為回答不斷堆積的問題提供了一個新的起點。甲烷如何進入酶活性部位？還是甲醇從酶中排出？活性部位的銅是如何進行化學反應的？下一步，該團隊計劃使用一種名為冷凍電子斷層成像的前沿成像技術直接研究細菌細胞內的酶。如果成功，研究人員將能夠準確地看到酶在細胞膜中的排列方式，確定它在真正的自然環境中如何運作，并了解酶周圍的其他蛋白質是否與它相互作用。

羅森茨威格說：“如果你想優化這種酶，將其插入生物制造途徑，或者消耗除甲烷以外的污染物，那么我們需要知道它在自然環境中的樣子，以及甲烷在哪里結合。”

研究人員還需要做更多的工作去研究這種細菌以及它們那能將甲烷快速轉化為甲醇的酶，才能生產出大量的人造生物催化劑，將大氣中的甲烷轉化為清潔燃料。

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