海洋微生物可能对海洋甲烷的生产负责

工业和农业活动产生大量甲烷，这是一种导致全球变暖的温室气体。许多细菌也会产生甲烷作为其新陈代谢的副产品。这些天然释放的甲烷中的一些来自海洋，这种现象长期困扰着科学家，因为海洋表面附近没有已知的甲烷生物。

来自麻省理工学院和伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的一组研究人员发现了一个可以帮助解决这个“海洋甲烷悖论”的发现。首先，他们确定了一种能够产生已知化合物的酶的结构。转化为甲烷。然后，他们利用这些信息表明这种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可能是甲烷气体释放到海洋上空的大气中的来源。

研究人员表示，海洋生产的甲烷约占排放到大气中的总量的4%，更好地了解甲烷的来源可以帮助科学家更好地解释其在气候变化中的作用。

“了解全球碳循环非常重要，特别是在谈论气候变化时，”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Catherine Drennan说。“甲烷真正来自哪里?它是如何使用的?了解大自然的变化是所有这些讨论中的重要信息。“

Drennan和Wilfred van der Donk是伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的化学教授，他是该论文的高级作者，该论文刊登在12月7日的“科学”网络版上。主要作者是麻省理工学院和哈佛大学的研究生David Born和伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究生Emily Ulrich。

解开谜团许多细菌产生甲烷作为其新陈代谢的副产品，但这些细菌中的大多数生活在贫氧环境中，例如深海或动物的消化道 - 而不是靠近海洋的表面。

几年前，van der Donk和伊利诺伊大学的同事威廉·梅特卡夫发现了海洋甲烷之谜的可能线索：他们发现了一种微生物酶，它产生一种名为甲基膦酸盐的化合物，当磷酸盐分子从中分离出来时，甲基膦酸盐就会变成甲烷。这种酶存在于一种名为Nitrosopumilus maritimus的微生物中，该微生物生活在海洋表面附近，但这种酶在其他海洋微生物中并不像人们预期的那样容易识别。

Van der Donk的团队知道这种酶的基因序列，称为甲基膦酸合成酶(MPnS)，它允许他们在其他微生物的基因组中搜索它的其他版本。然而，每当他们发现潜在的匹配时，这种酶就被证明是一种叫做羟乙基膦酸盐双加氧酶(HEPD)的相关酶，它产生的产物与甲基膦酸盐非常相似，但不能裂解产生甲烷。

Van der Donk问Drennan是决定蛋白质化学结构的专家，如果她能够试图揭示MPnS的结构，希望它能帮助他们在其他细菌中找到更多的酶变体。

为了找到这种结构，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中进行了测量。他们知道这种酶需要氧气来催化甲基膦酸盐的生成，因此通过消除氧气，它们能够获得酶的快照，因为它与必要的反应伙伴结合，但在进行反应之前。

研究人员将MPnS的晶体学数据与相关的HEPD酶进行了比较，发现了一个小而重要的区别。在两种酶的活性位点(催化化学反应的蛋白质的一部分)中，存在称为谷氨酰胺的氨基酸。在MPnS中，这种谷氨酰胺分子与铁结合，铁是生产甲基膦酸盐的必需辅助因子。谷氨酰胺通过庞大的氨基酸异亮氨酸以铁结合方向固定，其直接位于MPnS中的谷氨酰胺下方。然而，在HEPD中，异亮氨酸被甘氨酸取代，并且谷氨酰胺可以自由重排以使其不再与铁结合。

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