Forskere opdager unikke egenskaber ved kritisk metan-producerende enzym

En uventet opdagelse har givet forskerne en større forståelse af et vigtigt metanproducerende enzym.

Et team af forskere ved Carl R. Woese Institute for Genomic Biology (IGB) ved University of Illinois i Urbana-Champaign offentliggjorde en artikel i eLife der skitserede deres resultater på et enzym kaldet methyl-coenzym M-reduktase, eller MCR.

Deres resultater omstøder, hvad der tidligere blev antaget at være sandt i feltet:at et sæt unikke modifikationer til stede i MCR var afgørende for, hvordan enzymet fungerer.

De opdagede, at disse modifikationer faktisk ikke var nødvendige, et fund, der vil bringe videnskabsmænd et skridt tættere på fuldt ud at forstå dette enzym, som spiller en vigtig rolle i metanproduktionen og kulstofkredsløbet.

Metan er en vigtig drivhusgas, der bidrager til cirka 20 procent af drivhuseffekten, som bidrager til jordens opvarmning.

Metan kommer fra både geologiske kilder og biologiske kilder, herunder fra en gruppe mikroorganismer kaldet methanogener. Disse mikroskopiske organismer, som er medlem af domænet Archaea, producere metan som et biprodukt af deres stofskifte. Gigatons metan produceres af methanogener hvert år.

Methanogener har enzymet MCR, som er det eneste enzym, der laver metan. Det er afgørende for både produktion og forbrug af metan.

"Dette er et enormt vigtigt enzym, " sagde professor i molekylær og cellulær biologi William Metcalf, medforfatter af papiret og leder af IGB's Mining Microbial Genomes (MMG) tema. "Jeg vil påstå, at det er et af de vigtigste enzymer på jorden for kulstofkredsløbet."

MCR har også nogle usædvanlige egenskaber. I modsætning til de fleste enzymer, MCR har en række modifikationer, der ændrer enzymets aminosyrer. Disse modifikationer blev tidligere antaget at have været essentielle for enzymets funktioner.

Før nu, det har været umuligt at lave en genetisk analyse af disse enzymer - hvilket ville omfatte at fjerne disse modifikationer og se på, hvordan enzymet virker uden dem.

"Man troede, at hvis man gjorde det, enzymet ville ikke virke, " sagde Metcalf. "Fordi det enzym er nødvendigt for organismens levedygtighed, det blev anset for at være et essentielt gen."

Men Douglas Mitchell, en professor i kemi og fakultetsmedlem af IGBs MMG-tema, troede andet. Han og hans forskningslaboratorium havde studeret en klasse af molekyler, der havde en af ​​de modifikationer, der også er til stede i MCR. De fandt ud af, hvordan denne modifikation blev udført og forudsagde, at det samme enzymatiske maskineri, der blev brugt til at modificere MCR i methanogener, var det samme maskineri, der blev brugt til at fremstille antibiotika og bakterier.

Imidlertid, deres laboratorium havde en begrænsning, ifølge Nilkamal Mahanta, en postdoc-forsker i Mitchells laboratorium, som var involveret i forskningen. Deres laboratorium var begrænset i dets evne til at udføre den slags eksperiment, der var nødvendigt for at se, om dette var sandt. De organismer, de ønskede at studere, eksisterer kun i anaerobe miljøer, som ikke indeholder ilt.

IGB Fellow Nayak havde for nylig udviklet et nyt genetisk værktøj, der kunne manipulere denne type organisme. Hun brugte dette værktøj til at studere de fysiske egenskaber af MCR og forstå, hvordan det virker - og fandt ud af, at modifikationen ikke var afgørende for enzymets funktion.

Dette kom som en overraskelse for mange inden for dette forskningsfelt, og til Metcalf og Nayak også.

"Da jeg startede dette projekt, Jeg vidste ikke helt så meget om vigtigheden af ​​disse modifikationer, " sagde Nayak . " Efterhånden som projektet gik . . . Jeg indså virkningen af ​​den opdagelse, vi gjorde, at denne modifikation vi troede var vigtig og involveret i fremstilling af metan eller nedbrydning af metan, spillede pludselig ikke en så vigtig rolle, som folk i litteraturen havde talt om i de sidste 10 eller 15 år - måske endnu længere, rent faktisk."

Deres resultater tyder på, at der er mere at afsløre om dette enzym og den rolle, det spiller i produktion og forbrug af metan.