解析PQQ依赖型甲醇脱氢酶组装机制：揭示甲烷生物转化的分子基础

研究人员针对PQQ依赖型甲醇脱氢酶(MDH)组装机制不明的科学问题，通过在大肠杆菌中重构MDH组装系统，首次发现分子伴侣MxaJ介导辅因子PQQ（吡咯喹啉醌）的整合机制，并利用冷冻电镜解析关键中间体结构。该研究为甲烷/甲醇生物转化提供了新工程策略，发表于《Nature Communications》。

　　

甲烷作为温室效应强度是CO₂86倍的强效温室气体，其生物降解主要依赖甲基营养菌中的PQQ（吡咯喹啉醌）依赖型甲醇脱氢酶(MDH)。这类酶在甲烷代谢中扮演核心角色，每年催化降解超过4000万吨甲烷。然而尽管已有多个MDH结构被解析，其成熟过程中辅因子PQQ和Ca²⁺的整合机制始终是未解之谜。这一知识空白严重制约了人工改造这类酶用于工业级甲烷/甲醇生物转化的进程。

中国科学院天津工业生物技术研究所的研究人员选择甲基营养菌Methylobacterium extorquens AM1的MxaFI型MDH为模型，通过创新性地在大肠杆菌中重构其13个基因组成的mxa基因簇表达系统，成功实现了异源组装功能性MDH。研究发现，除已知参与Ca²⁺整合的6个蛋白外，分子伴侣MxaJ对PQQ的整合至关重要。通过冷冻电镜技术，团队首次捕获到MxaF/MxaJ复合物及其PQQ结合状态的三维结构（分辨率分别达2.78?和2.81?），揭示了"屋顶片"(W418-Y439)构象变化介导的PQQ整合分子机制。相关成果发表在《Nature Communications》上。

关键技术方法包括：1）在大肠杆菌中构建13基因重组表达系统；2）通过基因敲除和体外Ca²⁺处理鉴定7个必需组装蛋白；3）采用等温滴定量热法(ITC)测定蛋白-辅因子相互作用；4）利用冷冻电镜解析MxaF/MxaJ复合物及其PQQ结合状态结构；5）表面等离子共振(SPR)验证PQQ结合特异性。

异源组装PQQ依赖型MDH

研究人员将mxa基因簇重组为两个质粒上的三个操纵子，在E.coli中表达13个基因后成功纯化出具有甲醇氧化活性的MDH。通过系统删除单个基因发现，mxaJ、mxaR等7个基因缺失会导致酶失活，其中仅mxaJ缺失株的MDH无法通过体外Ca²⁺处理恢复活性，提示MxaJ特异性参与PQQ整合。

MxaJ：PQQ整合的分子伴侣

研究发现MxaF与MxaJ的亲和力比与MxaI高10倍，优先形成MxaF/MxaJ复合物。PQQ仅能结合该复合物（K_D=77nM），触发MxaI取代MxaJ形成功能性MxaF/MxaI复合物。过表达MxaI可使重组MDH活性提升至1.2μmol·min^-1·mg^-1，接近天然酶水平。

MxaJ介导PQQ整合的机制

冷冻电镜结构显示，MxaJ通过L8环与MxaF的"屋顶片"相互作用，拉开PQQ结合口袋。关键残基Q429、A434等形成氢键网络，保守性分析表明该机制在MDH家族中广泛存在。PQQ结合诱导MxaF的A100-D105和G175-V180区域构象变化，促进与MxaI的Q40形成氢键，最终导致MxaJ解离。

讨论与意义

该研究首次阐明PQQ依赖型MDH的组装路径：1）MxaJ捕获MxaF形成复合物；2）PQQ通过开放通道进入催化中心；3）MxaI置换MxaJ；4）MoxR/VWA复合物介导Ca²⁺整合。这一发现不仅解决了长期悬而未决的MDH生物发生机制问题，更重要的是为设计高效甲烷/甲醇生物转化系统提供了分子基础。鉴于化学催化CO₂还原制甲醇技术的发展，该成果有望推动"液态阳光"战略的产业化进程，对实现碳中和目标具有重要战略意义。