醌类提取驱动细菌大气一氧化碳氧化的分子机制解析

研究人员针对微生物如何利用大气浓度CO（100 ppb）这一科学难题，通过结构生物学与生物化学手段解析了分枝杆菌[MoCu]-CO脱氢酶（Mo-CODHMs）与膜蛋白CoxG的互作机制。研究发现CoxG通过疏水腔提取甲基萘醌（MQ9）传递电子至Mo-CODHMs，揭示了微生物氧化痕量CO的能量获取新范式，为理解全球碳循环提供了分子基础。

　　

大气中的一氧化碳（CO）既是多细胞生物的剧毒物质，又是微生物的重要能量来源。全球每年约2600万吨CO通过微生物氧化被清除，其中10-15%由含钼铜的[MoCu]-CO脱氢酶（Mo-CODH）催化。尽管这一过程对全球碳循环至关重要，但微生物如何氧化大气浓度（约100 ppb）的CO并传递电子至呼吸链仍是未解之谜。传统观点认为，高亲和力的Mo-CODH需直接与膜结合才能还原醌类，但这一假说缺乏结构证据支持。

为解决这一科学难题，澳大利亚莫纳什大学等机构的研究团队以分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis）为模型，通过冷冻电镜和蛋白质工程揭示了Mo-CODH_Ms与伴侣蛋白CoxG的互作机制。研究发现CoxG作为醌类转运体，将膜结合的甲基萘醌-9（MQ9）提取并递送给可溶性的Mo-CODH_Ms完成电子传递，这一发现革新了对微生物能量捕获机制的认识。相关成果发表于《Nature Chemical Biology》。

研究采用冷冻电镜解析Mo-CODH_Ms的1.85 ?三维结构，结合蛋白膜电化学测定酶动力学参数；通过X射线晶体学获得CoxG_NT结构并利用质谱验证其醌类结合能力；采用AlphaFold2预测蛋白复合物互作界面，最后通过基因敲除和回补实验验证功能。

Mo-CODH_Ms高效氧化大气CO
纯化的Mo-CODH_Ms可将CO浓度降至0.065 ppm（51 pM），表观K_m为139 nM，显著低于羧酸杆菌（A. carboxidovorans）来源的Mo-CODH_Ac（K_m=2.30 μM）。电化学分析显示其氧化电位接近CO₂/CO理论值（-0.58 V vs SHE），证实其高效催化特性。

独特的结构特征
冷冻电镜结构显示Mo-CODH_Ms活性中心的CuMo-蝶呤辅因子环境显著不同于其他同源酶：保守精氨酸被丙氨酸（Ala380）取代，形成新的水分子网络。气体通道分析发现其具有两条狭窄通道（瓶颈半径1.1-1.2 ?），而其他同源酶仅单通道（半径1.4-1.6 ?），这种结构差异可能影响底物选择性。

CoxG的醌类转运机制
晶体结构揭示CoxG_NT含有521.4 ?³的疏水腔，质谱证实其特异性结合分枝杆菌特征醌类DH-MQ9。分子对接显示MQ9的氧化还原活性头部靠近FAD辅因子（距离16 ?），AlphaFold2预测的复合物模型表明CoxG通过5个关键赖氨酸与Mo-CODH_Ms带负电残基形成盐桥互作。基因敲除实验证实△coxG菌株完全丧失CO氧化能力，而赖氨酸突变为丝氨酸的回复体仅保留部分活性。

跨物种保守性
基因组分析发现24/30的Mo-CODH基因簇含有coxG同源基因，AlphaFold2建模显示不同物种的CoxG均能以类似方式与Mo-CODH结合，包括与CoxL融合的布拉氏根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）变体。

该研究首次阐明微生物氧化大气CO的完整分子机制：CoxG作为"醌类穿梭体"突破膜屏障，使可溶性Mo-CODH能间接还原呼吸链醌类。这种长距离醌类转运机制在微生物中多次独立进化，为理解极端环境微生物的能量获取提供了新视角。发现的高亲和力Mo-CODH结构特征，为设计CO生物传感器或废气处理酶催化剂提供了理论框架。研究还揭示了SRPBCC超家族蛋白在电子传递中的新功能，拓展了对微生物能量代谢网络的认识边界。