Science：多数人支持的观点未必正确，揭示产甲烷菌合成甲烷真正机制

关于细菌如何制造天然气中的主要组分---甲烷，人们提出两种相互竞争的观点。根据一项新的研究，来自美国密歇根大学等机构的研究人员发现与之前的研究相反的是，占据优势的观点涉及甲基自由基（methyl radical）的化学反应。理解细菌如何产生甲烷可能有助科学家们找出控制污染或制造燃料的方法。相关研究结果发表在2016年5月20日那期Science期刊上，论文标题为“The radical mechanism of biological methane synthesis by methyl-coenzyme M reductase”。

论文通信作者、密歇根大学生物化学教授Stephen Ragsdale说，“甲烷是一种温室气体，与此同时它是全世界使用的主要能源之一。详细地了解细菌制造甲烷机制可能导致人们在设计高效的催化过程而将甲烷转化为其他的化学物方面取得重大突破。”

尽管其他类型的自由基比较常见，如过氧化氢和臭氧，但是这项研究展示了大自然中细菌与众不同地利用高反应性的甲基自由基制造甲烷。

论文共同作者、美国西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）能源系计算化学家Simone Raugei说，“我们感到非常吃惊。我们原以为我们已发现存在其他机制的证据。”

90%以上的甲烷是由于被称作产甲烷菌（methanogen）的细菌产生的。产甲烷菌利用一种被称作甲基-辅酶M还原酶（Methyl-coenzyme M reductase）的蛋白来制造甲烷。

科学家们对这种酶了解很多。它通过让一个氢原子添加到甲基上而制造出这种可燃性气体。一个甲基基团含有三个结合到同一个碳原子上的氢原子，只比甲烷少一个氢原子。

为了产生甲烷，这种酶从一种被称作甲基-辅酶M（methyl-coenzyme M）的辅助分子上带走甲基基团。辅酶M的功能就是将甲基基团插入到这种酶表面的合适位点上。让这个位点刚好合适的是一个完美定位的镍原子，其中这种镍原子主要负责转移这最后的一个氢原子。

然而，在过去几十年来，这个镍原子在高度复杂的化学反应环境中是如何做到这点的一直充满争议。不同可能的途径产生不同的转瞬即逝的中间分子，但是对科学家们而言，化学反应发生得太快而不能够确定到底选择哪条反应途径。

化学家们最为支持的反应途径涉及这个酶中的镍原子直接攻击甲基基团，从而将它从辅酶M中将它偷走。这种甲基-镍（methyl-nickel）分子短暂地存在，随后这个分子中的甲基接着从酶的工作区---辅酶B---中偷来一个氢原子而变成甲烷。很多实验都支持这个观点，即产生一种中间分子：甲基-镍。

第二种观点只有少数研究团队支持，涉及甲基自由基。自由基是不稳定的分子，含有一个未配对的电子。较为常见的自由基是过氧化氢和臭氧，它们通过降解分子中较弱的化学键而能够造成大量损害。

正是这个未配对的电子产生问题。原子之间的化学键通常涉及两个电子。这个未配对的电子为了找到另一个未配对的电子会从其他已配对的电子对中抢夺电子，而这会引发大量问题。

在第二种观点中，镍原子结合到辅酶M的一个硫原子而不是甲基上。这会敲除一个甲基，而且被敲除的甲基缺乏一个电子。所产生的甲基自由基立刻从辅酶B中夺取一个氢原子，从而产生甲烷。

在这项新的研究中，为了发现哪种机制是正确的，研究人员想出一种方法排除其中的一种机制。他们首先要做的事情就是放慢这种反应。在中间分子产生（制造甲烷的第一步）后，他们通过放慢制造甲烷的第二步（即由中间分子产生甲烷）而将这种反应放慢1000倍。这样做会让中间分子积累。

随后，研究人员在密歇根大学利用电子顺磁共振波谱（electron paramagnetic resonance spectroscopy, EPR）技术进行生物化学分析，从而允许他们区分到底是哪一种中间分子（即第一种观点中的甲基-镍，和第一种观点中的甲基自由基）产生。如果这种反应产生甲基-镍分子，那么甲基-镍分子将会在他们的仪器中作为一种尖峰信号出现。如果这种方法产生甲基自由基，那么这种甲基自由基分子将仍然结合到这种蛋白---实际上是结合到这种蛋白的镍结合辅酶M（nickel bound to coenzyme M，也译作结合着镍原子的辅酶M）---上，因而不会在仪器中记录到。

研究人员在反应后产物的EPR波谱中未发现尖峰信号，这意味最有可能的中间分子是甲基自由基。但是，为了确认这点，他们进一步开展生物化学分析，排除了其他的潜在分子。他们也开展其他的生物化学测试，并且证实主要的中间分子的结构是镍结合辅酶M：如果这种反应走甲基自由基这个中间途径的话，那么这正是期待的结果。

Raugei说，“自由基对生命物质（如生物材料）的影响是破坏性的。但是对于最不稳定的自由基之一的甲基自由基而言，它是真正令人吃惊的。在制造甲烷的100%时间中，这种蛋白不得不极其高精确度地执行和控制这种反应，将甲基自由基特异性地放置在仅仅一个原子---结合到辅酶B的硫原子上的氢原子---的附近。”

为了进一步验证这些结果，研究人员利用计算方法对这种方法进行建模。他们着重关注这种作甲基-辅酶M还原酶。

论文共同作者、西北太平洋国家实验室计算科学家Bojana Ginovska说，“我们发现产生甲基自由基需要最少的能量，这再次让这种机制占据优势。”事实上，相比于甲基自由基，产生另一种中间分子（即甲基-镍）需要三倍的能量。

对这种反应进行建模也允许研究人员观察甲基-辅酶M还原酶的内部。通过实验，他们发现这种反应在更高的温度下发生得更快以及其中的原因：辅助这种反应进行的这种还原酶的部分片段让镍原子更靠近甲基-辅酶M分子。更短的距离允许反应更快地发生。

这些研究结果可能有助科学家们学会在实验室或细菌体内控制甲醇合成，以及如何降解甲醇。Raugei说，如果他们能够设计出一种仿生策略来活化甲醇从而意味着将它转化为更加有用的燃料，它将是一个重大突破。

原始出处

Thanyaporn Wongnate1, Dariusz Sliwa1,*, Bojana Ginovska2, Dayle Smith2,†, Matthew W. Wolf3, Nicolai Lehnert3, Simone Raugei2, Stephen W. Ragsdale.The radical mechanism of biological methane synthesis by methyl-coenzyme M reductaseScience.2016