他们的研究结果将于3 月18 日发表在期刊《科学》 上，最终可能导致人工生物催化剂的开发，将甲烷气体转化为甲醇。
该论文的资深作者、西北大学的艾米·罗森茨威格（Amy Rosenzweig）说：“甲烷的结合力非常强，因此有一种酶可以做到这一点，这是非常了不起的。” “如果我们不确切地了解酶如何进行这种困难的化学反应，我们将无法为生物技术应用设计和优化它。”
罗森茨威格是西北大学温伯格艺术与科学学院温伯格家族生命科学杰出教授，在分子生物科学和化学领域担任职务。
这种酶被称为颗粒甲烷单加氧酶（pMMO），是一种特别难以研究的蛋白质，因为它嵌入细菌细胞膜中。
通常，当研究人员研究这些甲烷细菌时，他们会使用严格的程序，其中包括使用洗涤剂溶液将蛋白质从细胞膜上撕下来。虽然这个过程有效地隔离了酶，但它也杀死了所有酶的活性，并限制了研究人员可以收集的信息量，比如监测没有心跳的心脏。
在这项研究中，该团队使用了一种全新的技术。第一作者、Rosenzweig 实验室的博士生Christopher Koo 想知道他们是否可以通过将酶放回类似于其原生环境的膜中来学习新的东西。 Koo 使用细菌中的脂质在称为纳米圆盘的保护性颗粒内形成膜，然后将酶嵌入该膜中。
“我们能够通过在纳米圆盘内重建酶的局部环境来恢复酶的活性，”Koo 说。 “然后，我们能够使用结构技术在原子水平上确定脂质双层如何恢复活性。在此过程中，我们发现了酶中可以发生甲烷氧化的完整铜位点阵列。”
研究人员使用了冷冻电子显微镜（cryo-EM），这是一种非常适合膜蛋白的技术，因为在整个实验过程中脂质膜环境没有受到干扰。这使他们首次能够以高分辨率观察活性酶的原子结构。
“由于最近冷冻电子显微镜的‘分辨率革命’，我们能够看到原子级的结构细节，”罗森茨威格说。 “我们所看到的完全改变了我们对这种酶活性位点的看法。”
罗森茨威格说，冷冻电子显微镜结构为回答有关连续堆叠的问题提供了一个新的起点。甲烷如何进入酶的活性位点？或者甲醇如何从酶中分离出来？活性位点的铜如何发生化学反应？接下来，该团队计划使用一种称为冷冻电子断层扫描（cryo-ET）的尖端成像技术直接研究细菌细胞内的酶。
如果成功，研究人员将能够准确地看到酶在细胞膜中的排列方式，确定它在真实的天然环境中如何运作，并了解酶周围的其他蛋白质是否与其相互作用。这些发现将为工程师提供一个关键的缺失环节。
“如果你想优化这种酶，将其插入生物制造途径或消耗甲烷以外的污染物，那么我们需要知道它在当地环境中的样子以及甲烷的结合位置，”罗森茨威格说。 “你可以将它与细菌工程酶一起使用，从水力压裂现场收集甲烷，或清理漏油。”
