新发现可能解决“海洋甲烷悖论”

麻省理工学院的科学家已经确定了一种在海洋微生物中发现的酶的结构，该酶可以产生甲烷的前体。

工业和农业活动产生大量的甲烷，一种导致全球变暖的温室气体。许多细菌还产生甲烷作为其代谢的副产物。这种天然释放的甲烷中有一部分来自海洋，这一现象长期困扰着科学家，因为在海洋表面附近没有已知的甲烷产生生物。

麻省理工学院和伊利诺伊大学香槟分校的一组研究人员做出了一项发现，可以帮助解决这一“海洋甲烷悖论”。首先，他们确定了一种酶的结构，该酶可以产生已知可转化为甲烷的化合物。然后，他们使用该信息表明该酶存在于一些最丰富的海洋微生物中。他们认为，这种化合物很可能是释放到海洋上方大气中的甲烷气体的来源。

研究人员说，海洋产生的甲烷约占排放到大气中的甲烷的4％，对这种甲烷的来源有更好的了解可以帮助科学家更好地解释其在气候变化中的作用。

麻省理工学院化学与生物学教授，霍华德·休斯医学研究所研究员，凯瑟琳·德伦南说：“了解全球碳循环确实非常重要，尤其是在谈论气候变化时。”“甲烷真正从哪里来？如何使用？在所有这些讨论中，了解自然的变化是重要的信息。”

该论文的高级作者德伦南和伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的化学教授威尔弗雷德·范德唐克（Wilfred van der Donk）是该论文的高级作者，该论文发表在12月7日的《科学》在线版上。主要作者是麻省理工学院和哈佛大学的研究生David Born，以及伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究生Emily Ulrich。

解决奥秘

许多细菌会产生甲烷作为其代谢的副产品，但是大多数细菌都生活在氧气不足的环境中，例如深海或动物的消化道，而不是靠近海洋表面。

几年前，范德·唐克（van der Donk）和伊利诺伊大学的同事威廉·梅特卡夫（William Metcalf）发现了有关海洋甲烷之谜的可能线索：他们发现了一种微生物酶，该酶产生一种叫做甲基膦酸酯的化合物，当从磷酸酯分子上裂解下来时，它可以变成甲烷。这种酶是在生活在海面附近的一种叫做Nitrosopumilus maritimus的微生物中发现的，但是这种酶在其他海洋微生物中却不容易被人发现，正如人们所期望的那样。

范德唐克（Van der Donk）的研究小组知道了该酶的基因序列，即甲基膦酸合酶（MPnS），使他们能够在其他微生物的基因组中搜索该酶的其他版本。但是，每当他们发现潜在的匹配物时，该酶就会变成一种相关的酶，称为羟乙基膦酸酯双加氧酶（HEPD），它产生的产物与膦酸甲酯非常相似，但不能裂解产生甲烷。

范德唐克（Van der Donk）向确定蛋白质化学结构的专家德伦南（Drennan）询问她是否可以尝试揭示MPnS的结构，希望这将有助于他们在其他细菌中发现更多的酶变异体。

为了找到结构，麻省理工学院的团队使用了X射线晶体学，他们在没有氧气的特殊室内进行了晶体学研究。他们知道该酶需要氧气来催化甲基膦酸的产生，因此，通过消除氧气，他们可以在与必要的反应伙伴结合后但在进行反应之前获得该酶的快照。

研究人员将MPnS的晶体学数据与相关的HEPD酶进行了比较，发现了一个很小但很关键的差异。在这两种酶的活性位点（催化化学反应的蛋白质部分）中，存在一种称为谷氨酰胺的氨基酸。在MPnS中，该谷氨酰胺分子与铁结合，铁是产生甲基膦酸酯的必要辅助因子。谷氨酰胺被庞大的氨基酸异亮氨酸固定在铁结合方向上，而氨基酸异亮氨酸在MPnS中的谷氨酰胺正下方。然而，在HEPD中，异亮氨酸被甘氨酸替代，并且谷氨酰胺可自由重排，从而不再与铁结合。

“我们一直在寻找导致不同产品的差异，而这是我们唯一看到的差异，” Born说。此外，研究人员发现，将HEPD中的甘氨酸改变为异亮氨酸就足以将酶转化为MPnS。

丰富的酶

通过搜索来自数千种微生物的遗传序列的数据库，研究人员发现了数百种具有与原始MPnS酶相同的结构构型的酶。此外，所有这些都是在生活在海洋中的微生物中发现的，其中一个是在一种极为丰富的海洋微生物菌种中发现的。

“这项令人兴奋的结果建立在之前的相关研究基础之上，该研究表明，甲基膦酸酯的代谢会导致在含氧海洋中形成甲烷。由于甲烷是一种强效温室气体，其在地表海洋中的来源和吸收尚不为人所知，因此，这项研究将有助于促进对自然界中的甲基膦酸酯循环的更全面的理解。”未参与这项研究的夏威夷大学海洋学教授戴维•卡尔（David Karl）说。

尚不清楚MPnS酶及其产物在海洋细菌中起什么作用。据信甲基膦酸酯被掺入称为磷脂的脂肪分子中，该磷脂类似于构成细胞膜的磷脂。

“这些磷脂的功能尚不成熟，尽管人们已经知道它们已经存在了数十年。这是一个非常有趣的问题，”博恩说。“现在我们知道它们正在大量生产，尤其是在海洋中，但是我们实际上并不知道它们在做什么或它们如何使有机体受益。”

另一个关键问题是这些生物产生的甲烷如何受到海洋环境条件（包括温度和化肥径流等污染）的影响。

“我们知道，当微生物缺乏磷时，就会发生膦酸甲酯的裂解，但是我们需要找出与之相关的营养成分，以及与海洋的pH值如何相关，以及与海洋的温度如何相关， ”德伦南说。“我们需要所有这些信息才能思考我们在做什么，以便我们可以就保护海洋做出明智的决定。”

该研究由美国国立卫生研究院和霍华德·休斯医学研究所资助。

出版物：David A. Born等人，“膦酸甲酯生物合成的结构基础”，《科学》，2017年12月8日：卷358，第6368期，第1336-1339页； DOI：10.1126 / science.aao3435