马克斯·普朗克学会 有氧条件下获得的F420H2氧化酶晶体图片，典型尺寸为0
1毫米
在氧气的作用下，酶中的铁和黄素使晶体呈现出天然的黄色
学分:马克斯·普朗克海洋微生物研究所
瓦格纳 甲烷是一种强大的温室气体，在全球碳循环中起着核心作用
同时，它也是我们人类的重要能源
其年产量的大约一半是由被称为产甲烷菌的微生物制造的，这些微生物能分解死植物等有机物质
这通常发生在没有氧气的栖息地，因为这种气体对产甲烷菌是致命的
但即使在实际无氧的栖息地，氧分子偶尔也会出现
为了使这些入侵者无害，产甲烷菌拥有一种能将氧气转化为水的特殊酶
“酶是所有生物新陈代谢的重要组成部分，我们实验室的目标是了解这些纳米机器是如何在分子水平上工作的，”马克斯·普朗克海洋微生物研究所的特里斯坦·瓦格纳说，他是这项研究的第一作者，该研究发表在2020年9月的科学杂志《化学通讯》上
为了这项研究，瓦格纳培养了一种叫做嗜热甲烷球菌的厌氧微生物，它来自那不勒斯海湾的沉积物
他纯化了酶F420-氧化酶，一种黄素二糖蛋白，并将其结晶，这是研究酶功能的一种常用方法
“众所周知，F420氧化酶可以将氧气转化为水，”瓦格纳说
“但是我们成功地解密了这个机制
“这项研究是马克斯·普朗克海洋微生物研究所、马克斯·普朗克陆地微生物研究所、保罗·舍勒研究所、格勒诺布尔跨学科研究所和欧洲同步辐射设施的科学家合作进行的
氧气被锁住了 研究人员揭示，这种机制有一个重要的要求:氧气具有很强的反应性，因此关键是反应要由酶正确控制，并且没有溶剂漂浮在周围
否则氧气可能会意外地转化为超氧化物并杀死厌氧菌
F420氧化酶的诀窍是使用气体通道和门控系统
氧分子首先在特定的通道中汇集到合适的含铁无水催化腔中
然后铁转化水中的氧，通过门控机制释放出来
为此，空腔开始移动并打开一个小“门”
“由于这一运动，新产生的水被输送到外面
空腔再次关闭，并可用于下一个氧分子
这张图显示了F420H2氧化酶及其工作方式
青色y形部分是气体通道
红色箭头表示氧气进入含铁催化腔的路径
绿色的箭头象征着离开水的路
然而，中间的蓝红色条显示黄素(FMN)接受来自还原型辅酶F420的电子，它带来了将氧转化为水所需的氢
信用:S
Engilberge和T
瓦格纳 为了深入了解这一机制，科学家们使用了x光结晶学
他们首先获得了不含氧的晶体结构，在那里他们可以看到与溶剂隔离的无水催化腔
然后，他们用惰性气体氪给酶晶体充气，氪不同于氧气，可以通过x光看到
之后，他们照射酶晶体，并能够检测氪原子，显示出通向催化腔的气体通道
黄素二糖蛋白及其通道不仅在产甲烷菌中是保守的，而且在其他微生物中也是保守的，如梭状芽孢杆菌(主要生活在土壤或消化道)、硫细菌脱硫弧菌甚至肠道寄生虫贾第鞭毛虫
越快越好 “这种反应真的很快，”保罗·舍勒研究所的西尔万·恩吉尔伯格说，他是特里斯坦·瓦格纳旁边这项研究的第一作者
“这个速度也是我们调查的重中之重
“类似的酶如漆酶要慢得多
“对于生物启发的电化学过程的未来应用，我们需要从不同组的氧还原酶的化学反应、结构和功能中学到更多，”恩格尔伯格说
它还将为蛋白质工程铺平道路，将一种高速O2解毒剂转化为工业过程的电子接收器
“我们的下一步将是了解黄素蛋白的多样性，”特里斯坦·瓦格纳说
一些同系物不是针对氧而是有毒的一氧化氮，它们的酶可以高度特异性地区分两种气体
但是什么是选择性过滤器呢？煤气管道？催化腔的环境？“需要进行更多的研究来理解这种蛋白质是如何区分氧和一氧化氮的，”瓦格纳补充道
有了这些知识，就有可能根据基因组信息来预测一种黄素蛋白是氧清除剂还是一氧化氮清除剂
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