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May 07, 2023

알칸의 구조와 메커니즘

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Nature Communications 14권, 기사 번호: 2180(2023) 이 기사 인용

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알칸은 에너지가 가장 풍부한 탄소 형태이며 환경에 널리 분산되어 있습니다. 미생물에 의한 변형은 지구 탄소 순환의 핵심 단계를 나타냅니다. 막에 걸친 금속효소인 알칸 모노옥시게나제(AlkB)는 미생물에 의한 알칸 분해의 첫 번째 단계에서 직쇄 알칸을 알코올로 전환하여 탄소의 글로벌 순환과 석유의 생물학적 정화에 중요한 역할을 합니다. AlkB 생물 다양성은 다양한 사슬 길이의 알칸을 산화시키는 능력에 기인하는 반면, 개별 AlkB는 상대적으로 좁은 범위를 목표로 합니다. 기질 선택성과 촉매 활성의 메커니즘은 아직 파악하기 어렵습니다. 여기서 우리는 막 효소에 대한 독특한 구조를 제공하는 AlkB의 저온-EM 구조를 보고합니다. 우리의 구조 및 기능 연구는 예상치 못한 이중철 중심 구성을 밝히고 기질 선택성에 대한 분자 결정 요인을 식별합니다. 이러한 발견은 AlkB의 촉매 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하고 알칸 분해 미생물에서의 기능을 밝혀줍니다.

탄화수소는 어디에나 존재합니다. 자연 누출, 석유 산업의 우발적 배출, 시아노박테리아의 생물학적 활동 등을 통해 매년 최대 8억 톤이 배출됩니다1,2,3. 이 분자는 탄화수소 대사 박테리아의 풍부한 식량원이며 생태계에 큰 영향을 미칩니다4,5. 따라서 탄소 순환에서 필수적인 단계는 액체 알칸을 생물학적으로 유용하게 만드는 효소적 변형입니다.

액체 알칸을 대사할 수 있는 박테리아는 적도 지역6,7에서 석유 영향을 받은 만8, 북극과 남극 대륙7,9,10,11,12,13,14,15,16의 탄화수소가 풍부한 깨끗한 토양에 이르기까지 전 세계적으로 발견됩니다. 17,18,19,20,21,22. 이러한 환경에서 액체 알칸의 산화를 촉매하는 주요 효소는 알칸 모노옥시게나제(AlkB)입니다. AlkB는 다양한 직쇄 알칸을 산화시키며 알칸을 유일한 탄소 및 에너지원으로 사용하는 다양한 박테리아에 널리 퍼져 있습니다10,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37. 실제로 이는 Deepwater Horizon 기름 유출 이후 빠르게 성장한 미생물 군집에서 가장 차별적으로 발현되는 유전자였습니다38.

AlkB는 지방 아실 지방족 사슬을 불포화시키거나 수산화시키는 비헴 디이론 모노옥시게나제 그룹을 나타내는 막지방산 불포화효소(FADS) 유사 슈퍼패밀리에 속합니다. 막 FADS 유사 수퍼패밀리의 촉매 가소성을 반영하여 AlkB는 직쇄 알칸의 말단 메틸 그룹을 선택적으로 수산화합니다. 계열의 다른 구성원은 각각 지질 기반 기질에 이중 결합 또는 수산기를 도입합니다. 이러한 독특한 생체촉매의 구조에 대한 첫 번째 엿보기는 포유류 스테아로일-CoA 불포화효소 SCD1과 효모 스핑고지질 α-수산화효소 Scs7p40,41,42,43의 구조를 통해 제공되었습니다. 시그니처 히스티딘이 풍부한 모티프를 제외하고 AlkB는 두 지방산 효소 계열과 중요한 서열 유사성이나 전자 전달 파트너를 공유하지 않습니다. AlkB의 이중철 센터의 정확한 구성은 아직 불분명합니다. 기능성 AlkB는 Mycobacterium tuberculosis H37RV, Legionella pneumophilia 종 Philadelphia, Pseudomonas aeruginosa PAO131,36,44와 같은 병원성 속에서도 확인되었으며, 이는 AlkB가 병원체 성장을 촉진할 수 있음을 시사합니다. 20,000개 이상의 AlkB 단백질 서열이 확인되었으며 이는 미생물 전반에 걸쳐 널리 분포되어 있음을 반영합니다.

지구 탄소 순환과 인간 건강에 대한 근본적인 중요성에도 불구하고 AlkB의 촉매 메커니즘은 여전히 ​​수수께끼로 남아 있으며 효소의 구조는 아직 실험적으로 결정되지 않았습니다. 중심 메커니즘에 관한 질문은 여전히 ​​답이 없습니다: 어떤 특징이 AlkB를 지방산 효소와 구별하고 선형 알칸의 말단 메틸 그룹을 선택적으로 수산화할 수 있게 합니까? 하나의 AlkB를 다른 AlkB와 차별화하는 기능은 무엇이며, 이는 결국 전체 제품군에 글로벌 탄소 순환의 초석이 되는 매우 넓은 기질 범위를 부여합니다. 정보의 부족으로 인해 AlkB의 구조가 어떻게 그 기능을 촉진하는지에 대한 우리의 이해에 상당한 격차가 생겼고 생명공학에 대한 적용을 크게 방해했습니다.