一種新發(fā)現(xiàn)的酶可以制造乙烯和甲烷

研究人員經(jīng)常在缺氧環(huán)境(例如某些類型的土壤)中觀察乙烯氣體。幾十年來，科學家們已經(jīng)知道乙烯來自微生物。但唯一已知的產(chǎn)生乙烯的天然微生物過程需要氧氣。那么缺氧環(huán)境如何含有乙烯呢?一組科學家發(fā)現(xiàn)了一種來自細菌的酶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在沒有氧氣的情況下產(chǎn)生乙烯，從而闡明了這一悖論。這些酶稱為甲硫基烷烴還原酶。它們的作用是從小的揮發(fā)性有機硫化合物中清除硫。根據(jù)所使用的化合物，這些酶反應會產(chǎn)生乙烯、乙烷或甲烷作為副產(chǎn)物。

影響

新發(fā)現(xiàn)的酶是一種固氮酶。固氮酶及其親屬是進行需要電子的化學反應的酶?？茖W家們了解固氮酶和相關物質(zhì)在光合作用和甲烷形成中的作用。然而，細菌中許多固氮酶樣基因和相關蛋白質(zhì)的功能是一個謎。這項研究表明，這些固氮酶的一些親屬已經(jīng)專門適應分解硫。在這個過程中，它們會釋放乙烯和甲烷。這突出了固氮酶尚未開發(fā)的功能多樣性。它還展示了它們在制造生物燃料和其他生物材料方面的潛在用途。

概括

乙烯既是一種有效的植物生長激素，也是大多數(shù)塑料的關鍵化學前體，使其成為地球上生產(chǎn)和使用最多的工業(yè)化學品。植物在適當?shù)臅r間和數(shù)量自然地產(chǎn)生乙烯，用于根伸長、枝條延伸、果實成熟和程序性葉片死亡。然而，在發(fā)生內(nèi)澇和洪水時，土壤會積累微生物產(chǎn)生的乙烯。這種乙烯可以積累到對植物有害的水平，從而導致作物受損。研究人員之前發(fā)現(xiàn)，一些土壤和淡水細菌在缺氧的情況下，在缺乏硫磺的情況下可以產(chǎn)生乙烯。研究人員追蹤了細菌中產(chǎn)生直接乙烯前體(2-甲硫基)乙醇的途徑。但是制造乙烯的最后一步酶仍然未知。最近，一組科學家發(fā)現(xiàn)了剩下的這一步。通過一系列協(xié)調(diào)一致的基因操作、蛋白質(zhì)組學、轉錄組學和熱力學建模，該團隊確定甲硫烷還原酶是缺失的環(huán)節(jié)。隨后的代謝物標記實驗和靶向代謝組學確定了催化反應。這些還原酶執(zhí)行(2-甲硫基)乙醇的碳-硫鍵裂解以釋放硫，釋放乙烯作為副產(chǎn)物。類似地，可以使用乙基甲基硫醚和二甲基硫醚，分別釋放乙烷和甲烷。甲硫基烷烴還原酶的發(fā)現(xiàn)為缺氧水淹土壤中乙烯的產(chǎn)生提供了解釋，并可能為如何防止有害的乙烯積累提供見解。此外，在沒有氧氣的情況下生物乙烯的形成對于工業(yè)生物乙烯生產(chǎn)具有潛在優(yōu)勢。甲硫基烷烴還原酶的發(fā)現(xiàn)完成了不依賴氧的乙烯生產(chǎn)途徑，為產(chǎn)生高水平乙烯的工程細菌菌株鋪平了道路。

資金

本材料基于能源部 (DOE) 科學辦公室、生物與環(huán)境研究辦公室、俄亥俄州立大學應用植物科學中心資助和國家科學基金會支持的工作。電子結構計算由環(huán)境分子科學實驗室執(zhí)行，該實驗室是由美國能源部在太平洋西北國家實驗室贊助的用戶設施。轉錄組學工作部分得到了科羅拉多大學癌癥中心基因組學和微陣列共享資源的支持，該資源得到了美國國家癌癥研究所的支持。橡樹嶺國家實驗室的蛋白質(zhì)組學工作得到了美國能源部科學基因組科學計劃辦公室的支持，作為植物微生物界面科學重點領域的一部分。

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