Forskare har gjort betydande framsteg mot målet att använda bakterier – istället för fossila bränslen – för att producera eten, en viktig kemikalie i tillverkningen av många plaster.
I en ny studie har forskare identifierat det enzym som vissa bakterier använder för att bryta ner organiska svavelföreningar och skapa eten. De har också, för första gången, lyckats extrahera enzymet från bakterier för att studera dess funktion och struktur.
”Vi ville ta reda på hur enzymerna i dessa bakterier fungerade för att producera eten, så att vi i framtiden kan utnyttja dem för att på ett hållbart sätt tillverka den plast vi behöver i vardagen”, säger Justin North, seniorförfattare till studien och biträdande professor i mikrobiologi vid Ohio State University.
Studien om detta uråldriga enzym – som kallas metyltiolkanreduktas (MAR) – publiceras i Nature Catalysis.
Det nya arbetet bygger på en studie från 2020 av Norths laboratorium som publicerades i Science.
Norths forskargrupp vid Ohio State samarbetade med Hannah Shafaat, professor i kemi och biokemi vid UCLA, och forskare från U.S. Department of Energy (DOE) Berkeley Lab Joint Genome Institute (JGI) och Laboratory for Biomolecular Structure vid Brookhaven National Lab för att förstå hur MAR producerar etylen.
”I början kände vi bara till de gener i våra bakterier som ansvarar för metyltiolkanreduktas, som omvandlar organiska svavelföreningar till etylen. Och märkligt nog liknade de mycket de gamla nitrogenas-enzymerna från bakterier som tar kvävgas från luften och omvandlar den till biologiskt kvävegödsel”, säger North.
För att omvandla dessa gener till proteiner som kunde studeras för deras potential inom biobränsleproduktion vände sig Norths grupp först till Joint Genome Institute. Yasuo Yoshikuni, DNA-syntesledare vid JGI och medförfattare till artikeln, konstruerade flera versioner av MAR-gener för forskarna vid Ohio State att testa i sin jordbakterie, Rhodospirillum rubrum, för att framställa MAR-proteinet.
”Vi blev så glada när vi isolerade MAR från våra bakterier som ett rent enzym att studera”, säger North. ”Det är en bedrift som aldrig tidigare har utförts.”
Srividya Murali, forskningsassistent i Norths laboratorium och medförfattare till studien, var ansvarig för att hitta ett sätt att isolera MAR.
Detta genombrott öppnade dörren för forskarteamet att äntligen börja förstå hur dessa enzymer fungerade.
Den största överraskningen kom när forskarna upptäckte hur nära MAR ligger nitrogenas. Nitrogenas är ett enzym som har en av de mest komplicerade järn- och svavelhaltiga metallkofaktorerna i naturen, vilket är kärnan i dess katalytiska funktion. Tidigare trodde forskarna att nitrogenaser kanske var de enda enzymerna som hade dessa sofistikerade metallkatalysatorer.
Men detaljerade spektroskopiska mätningar från Shafaat-gruppen om hur MAR:s metallkofaktorer får och använder elektroner för att extrahera svavel och tillverka eten från organiska svavelföreningar avslöjade snabbt hur komplex MAR är.
”Att titta på metallcentren i MAR är som att titta i en spegel och se en äldre släkting till nitrogenas på andra sidan”, säger Shafaat. ”Det sätt på vilket enzymet flyttar elektroner genom det massiva proteinkomplexet för att utföra en mycket specifik reaktion är så elegant, men skiljer sig också markant från hur nitrogenas kan binda kväve till gödselmedel.”
Dessa upptäckter bekräftades när forskarna Guobin Hu från Brookhaven National Laboratory Laboratory for BioMolecular Structure, som också är medförfattare till studien, och Dale Kreitler från National Synchrotron Light Source II var de första forskarna som avslöjade strukturen hos MAR och dess komplexa metallkofaktor genom kryogen elektronmikroskopi.
De fann att MAR är strukturellt uppbyggt som nitrogenas och använder liknande men unika metallkofaktorer för att uppnå sin kemi. Men det finns skillnader i metallerna – och området runt metallerna – som MAR föredrar för att extrahera svavel och tillverka etylen från organiska svavelföreningar, jämfört med hur nitrogenas fixerar kväve.
”Dessa upptäckter hjälper oss att börja fundera på hur MAR:s struktur gör att det kan fungera som det gör”, säger North.
Nu när de känner till MAR:s struktur och funktion arbetar forskarna med att konstruera ett MAR-enzym som är ännu bättre på att producera eten än de som finns naturligt, säger North. Det slutgiltiga målet är att göra processen att använda MAR för att producera eten tillräckligt kostnadseffektiv för att ersätta användningen av fossila bränslen.
”Vi gör framsteg och resultaten i denna studie var en viktig milstolpe mot det målet”, säger North.
Mer information: Srividya Murali et al, Arkitektur, katalys och reglering av metyltiolkanreduktas för bakteriell svavelupptagning från flyktiga organiska föreningar, Nature Catalysis (2025). DOI: 10.1038/s41929-025-01425-3
