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(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)知道乙烯來(lái)自微生物。但唯一已知的產(chǎn)生乙烯的天然微生物過(guò)程需要氧氣。那么缺氧環(huán)境如何含有乙烯呢?一組科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種來(lái)自細(xì)菌的酶系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在沒(méi)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(jī)硫化合物中清除硫。根據(jù)所使用的化合物，這些酶反應(yīng)會(huì)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(jìn)行需要電子的化學(xué)反應(yīng)的酶?？茖W(xué)家們了解固氮酶和相關(guān)物質(zhì)在光合作用和甲烷形成中的作用。然而，細(xì)菌中許多固氮酶樣基因和相關(guān)蛋白質(zhì)的功能是一個(gè)謎。這項(xiàng)研究表明，這些固氮酶的一些親屬已經(jīng)專門適應(yīng)分解硫。在這個(gè)過(guò)程中，它們會(huì)釋放乙烯和甲烷。這突出了固氮酶尚未開(kāi)發(fā)的功能多樣性。它還展示了它們?cè)谥圃焐锶剂虾推渌锊牧戏矫娴臐撛谟猛尽?/p>

概括

乙烯既是一種有效的植物生長(zhǎng)激素，也是大多數(shù)塑料的關(guān)鍵化學(xué)前體，使其成為地球上生產(chǎn)和使用最多的工業(yè)化學(xué)品。植物在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和數(shù)量自然地產(chǎn)生乙烯，用于根伸長(zhǎng)、枝條延伸、果實(shí)成熟和程序性葉片死亡。然而，在發(fā)生內(nèi)澇和洪水時(shí)，土壤會(huì)積累微生物產(chǎn)生的乙烯。這種乙烯可以積累到對(duì)植物有害的水平，從而導(dǎo)致作物受損。研究人員之前發(fā)現(xiàn)，一些土壤和淡水細(xì)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(xì)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(xué)家發(fā)現(xiàn)了剩下的這一步。通過(guò)一系列協(xié)調(diào)一致的基因操作、蛋白質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和熱力學(xué)建模，該團(tuán)隊(duì)確定甲硫烷還原酶是缺失的環(huán)節(jié)。隨后的代謝物標(biāo)記實(shí)驗(yàn)和靶向代謝組學(xué)確定了催化反應(yīng)。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(jiàn)解。此外，在沒(méi)有氧氣的情況下生物乙烯的形成對(duì)于工業(yè)生物乙烯生產(chǎn)具有潛在優(yōu)勢(shì)。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(xì)菌菌株鋪平了道路。

資金

本材料基于能源部 (DOE) 科學(xué)辦公室、生物與環(huán)境研究辦公室、俄亥俄州立大學(xué)應(yīng)用植物科學(xué)中心資助和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持的工作。電子結(jié)構(gòu)計(jì)算由環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行，該實(shí)驗(yàn)室是由美國(guó)能源部在太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室贊助的用戶設(shè)施。轉(zhuǎn)錄組學(xué)工作部分得到了科羅拉多大學(xué)癌癥中心基因組學(xué)和微陣列共享資源的支持，該資源得到了美國(guó)國(guó)家癌癥研究所的支持。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的蛋白質(zhì)組學(xué)工作得到了美國(guó)能源部科學(xué)基因組科學(xué)計(jì)劃辦公室的支持，作為植物微生物界面科學(xué)重點(diǎn)領(lǐng)域的一部分。

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