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(xué)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(xué)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(yīng)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(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，細菌中許多固氮酶樣基因和相關(guān)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(yīng)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(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(dǎo)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(xué)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(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和熱力學(xué)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(biāo)記實驗和靶向代謝組學(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(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)中心資助和國家科學(xué)基金會支持的工作。電子結(jié)構(gòu)計算由環(huán)境分子科學(xué)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(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(xué)工作得到了美國能源部科學(xué)基因組科學(xué)計劃辦公室的支持，作為植物微生物界面科學(xué)重點領(lǐng)域的一部分。
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