“食油”酶复合物结构：跨膜双蛋白复合物（左）的高分辨率冷冻电镜图使研究人员能够确定构成这两种蛋白质的单个氨基酸的位置（右）。AlkG（灰色）充当电子载体，将电子从其单个铁原子（红色球体）传输到 AlkB 酶活性位点（彩带结构）的两个铁原子（红色球体）。活性位点下方的洋红色结构是基底（见特写视图）。图片来源：美国能源部布鲁克海文国家实验室
科技日报记者 张佳欣
美国能源部布鲁克海文国家实验室科学家制造出了第一个原子级结构的酶，这种酶可选择性地切断碳氢键，而这正是将简单碳氢化合物转化为更有用的化学物质的第一步，也是最具挑战性的一步。正如30日发表在《自然·结构与分子生物学》上的论文所描述的，详细的原子级“蓝图”提出了对酶进行工程改造以生产所需产品的方法。
研究人员表示，他们希望创造一个多样化的生物催化剂池，可从中选择所需的底物，从丰富的碳氢化合物中生产出想要的独特产品。新方法可将廉价而丰富的烷烃转化为更有价值的生物产品或化学前体，包括醇、醛、羧酸盐和环氧化物。
这种生物酶是50年前发现的AlkB，无需高温和高压等严苛条件，具有非常高的特异性。它使用廉价的铁来引发化学反应，几乎不产生不需要的副产品。生物化学家发现，细菌酶AlkB是使微生物有不同寻常的食欲的因素。自那以后，科学家们一直对利用AlkB的碳氢化合物吞噬能力感兴趣。多年研究表明，这种酶部分嵌入了细菌的细胞膜中，并与另外两种蛋白质协同作用。
研究人员试图用X射线结晶学解开这种酶的结构。但像AlkB这样的膜蛋白是出了名的难以结晶。随后，他们使用了一台不需要结晶样本的冷冻电子显微镜，从许多不同的角度拍摄了几百万个单独的冷冻蛋白质分子的照片，在计算工具的帮助下，最终生成酶复合体的高分辨率三维图。使用这张图，研究人员拼凑出构成蛋白质复合体的单个氨基酸的已知原子级结构。详细的结构准确地显示了AlkB和两个相关蛋白之一（AlkG）是如何协同作用来断裂碳氢键的。