回收廢氣的細菌「工廠」如何高效運作？

2020-11-18 科技工作者

在無氧條件下得到的CODH/ACS晶體。

產乙醇梭菌中CODH/ACS複合物具有雙向性（CODH為橙色，ACS為紫色）。在化能自養條件下，酶可以將氣體通道中的CO2轉化為CO （上圖）。在氣體轉化過程中，工業活動釋放的CO可以被CODH/ACS有效利用產生乙醯輔酶A和化學能（下圖）。

許多工業部門排放的廢氣都含有CO和CO2，它們會造成空氣汙染。不過，這一現狀很快將迎來改變。

科學家們提出，他們能夠藉助細菌的力量將有毒廢氣轉化為有價值的化合物，如：乙酸或乙醇。這些「功臣」細菌可以吞噬CO及CO2，其中最受追捧的當屬產乙醇梭菌。

馬克斯·普朗克海洋微生物研究所微生物代謝組的組長Tristan Wagner說：「這種細菌進行氣體轉換的主要代謝路線已經確定，但我們在分子水平上仍有很多疑問。」比如，酶如何以如此驚人的效率處理有毒的CO？

在發表於《生物化學與生物物理學報：生物能學》雜誌的新研究中，Wagner和他的同事Olivier N. Lemaire聚焦產乙醇梭菌，試圖解答這一疑問。

人們對分子水平上CO轉化的認識來自熱醋穆爾氏菌相關研究。與「明星」細菌——產乙醇梭菌不同，它處理廢氣的能力較差。但這兩種細菌都使用同種酶轉化CO：協同脫氫酶/乙醯輔酶A合酶，簡稱CODH/ACS。

Lemaire培養了這種細菌，在缺氧的條件下純化了它的CODH/ACS，最終利用結晶法獲取了CODH/ACS晶體，並通過X射線結晶學測定了蛋白質的三維結構。

「當我們看到結果時，簡直不敢相信自己的眼睛，」Wagner說，「產乙醇梭菌的CODH-ACS結構與熱醋穆爾氏菌模型具有顯著差異。」

在熱醋穆爾氏菌中，酶在CODH中產生CO，並在ACS中使用。在CODH和ACS之間，CO會通過一個氣體通道，被ACS利用合成乙醯輔酶A，最終被進一步加工成為乙酸、乙醇。

細胞的其餘部分沒有任何CO。但在產乙醇梭菌中，CODH/ACS酶有多個開口，因此它可以儘可能多收集CO，並將其輸送至雙向運作的通道系統中。

Lemaire說：「這些結果表明，在這些細菌的進化過程中，內部的氣體通道發生了重組，最終產生了雙向複合體，以確保高通量CO轉化為能量被儲存或參與作為主要細胞動力的CO同化。」該過程最後也會產生用作燃料生產的乙酸和乙醇。

Wagner說：「雖然現在理解了這種CODH/ACS高效酶的結構及機制，但我們的發現只是向前邁進了一步。除此之外，細菌如何生存並利用CO來滿足整個細胞的能量需求仍是懸而未決的問題，因此還需要進一步研究。」

編譯：花花 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《生物化學與生物物理學報：生物能學》

期刊編號：0005-2728

原文連結：https://phys.org/news/2020-11-cellular-powerplant-recycles-gases.html

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