海洋微生物中豐富的酶可能是產生海洋甲烷的主要原因

信息來自中科院海洋所《海洋科學快報》2017年第46期。

工業和農業活動產生大量的甲烷。許多細菌也產生甲烷作為新陳代謝的副產品。一些天然釋放的甲烷來自海洋，這一現象長期困擾著科學家，因為沒有已知的甲烷產生生物生活在海洋表面附近。

一組來自麻省理工學院和伊利諾伊大學厄本那香檳分校的研究人員取得的發現可能有助於回答「海洋甲烷悖論」。首先，他們發現一種酶，可以產生一種被轉化為甲烷結構的化合物。然後，他們利用這些信息表明，這種酶存在於一些最豐富的海洋微生物中。他們認為這種化合物很可能是甲烷氣體被釋放到海洋上空的的來源。

研究人員說，海洋產生的甲烷佔大氣排放總量的4%左右。對甲烷來源有更好的了解，可以幫助科學家更好地解釋其在氣候變化中的作用。許多細菌產生甲烷是新陳代謝的副產品，但大多數產甲烷的細菌都生活在缺氧的環境中，例如深海或不靠近海洋表面的動物的消化道。

幾年前，研究人員發現了海洋甲烷之謎的可能的線索：他們發現了一種產生甲基膦酸的微生物酶，甲基膦酸裂解出磷酸鹽後生成甲烷。這種酶是在海洋氨氧化古菌（Nitrosopumilus maritimus）體內發現的，它生活在海洋表面。研究團隊知道該酶的基因序列，稱為甲基膦酸合成酶（MPnS），允許他們尋找其他微生物基因組的其他版本。然而，每當他們發現一個潛在的匹配，酶就變成了一個相關的稱為羥乙膦酸雙加氧酶（HEPD）的酶，產生一個非常類似於甲基膦酸的產物，但這種產物不能切割產生甲烷。研究人員設法揭示MPnS的結構，希望能幫助他們找到其他細菌的酶變體。

為了找到這種結構，麻省理工學院的研究小組使用了X射線結晶學，他們在一個沒有氧氣的特殊室內進行了結晶學研究。他們知道酶需要氧進行催化產生甲基膦酸，所以通過消除氧氣，他們可以知道在反應進行之前，酶會綁定到哪種必要的反應夥伴上。研究人員比較了MPnS和HEPD晶體學數據，發現了一個小而關鍵的區別。在這兩種酶的活性部位，有一種叫做谷氨醯胺的氨基酸。在MPnS，這個谷氨醯胺分子與鐵結合，這是甲基膦酸酯生產的必要輔助因子。谷氨醯胺被笨重的氨基酸異亮氨酸固定在鐵結合定位，就在MPnS谷氨醯胺的正下方。然而，在HEPD中，異亮氨酸被甘氨酸取代，而谷氨醯胺可以自由的重新調整，使其不再與鐵綁定。

此外，研究人員發現，將HEPD中的甘氨酸變成異亮氨酸足以使其轉換為MPnS酶。通過基因序列資料庫中搜索成千上萬的微生物，研究人員發現了數百個與原始MPnS酶有同樣結構配置的酶。此外，這些都是生活在海洋中的微生物，其中有一種是極其豐富的海洋微生遍在遠洋桿菌（Pelagibacter ubique）

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