名古屋大学研究生理学研究科的庄司长三教授和有安真也助教、米村开（研究生）等人组成的研究团队宣布，成功开发出在室温和水中利用酶将天然气的主要成分甲烷转化为甲醇的技术。利用了人为控制酶的功能的独特技术“底物误识别系统”。通过将合成的类似长链脂肪酸“诱饵分子”与甲烷一起导入本来与长链脂肪酸产生氢氧化反应来自巨大芽孢杆菌的金属酶细胞色素P450BM3中，成功将甲烷转化成了甲醇。该技术有望取得有效利用甲烷气体的成果。该研究成果已发表于美国化学会催化化学专业期刊《ACS Catalysis》6月14日号上。
图１ 将甲烷转化成甲醇 （供图：名古屋大学）
甲烷是天然气的主要组成成分，在地球上大量存在，但由于其化学性质非常稳定，因此以目前的技术进行化学转化需要大量的能量，因此目前对甲烷的利用尚未取得进展。在日本近海存在着甲烷水合物，如果能将甲烷低能耗地转化为甲醇，将有望引发能源革命。
虽然对常温状态下在水中发挥作用的酶的使用抱有期待，但将甲烷转化为甲醇的酶（甲烷单加氧酶）难以处理且无法大规模生产。此外，考虑到酶基本上具有像钥匙和钥匙孔一样只接受特定化合物的特性，所以无法用其他酶代替。
对此研究团队开发了一种名为“底物误识别系统”，设计了与酶发生化学转化的特定化合物形状相似的人工分子“诱饵分子”，通过欺骗酶吸收并激活诱饵分子，从而实现对本来不是目标的化合物进行化学转化。利用自然界中大量存在的来自巨大芽孢杆菌的长链脂肪酸羟化酶P450BM3，在常温且在水中成功实现了苯转到苯酚的化学转变、乙烷和丙烷的高效率氢氧化。P450BM3是一种反应中心含有铁（Fe）金属的高活性金属酶，通过大肠杆菌可以进行大规模生产。
在该技术中， “诱饵分子”被设计得比原本要进行化学转化的目标分子更短，并通过将希望反应的化合物嵌入并固定化，以类似将其塞进瓶塞的方式来激活酵素。
此次研究团队为了实现该酶对甲烷氢氧化，从目前设计的600种“诱饵分子”库中找寻找能够固定最小尺寸的甲烷分子的“诱饵分子”。验证了其中约40种类型分子在甲烷的氢氧化中是有效的。
结果证实，在数种“诱饵分子”中通过气相色谱法检测到了甲醇。其中最高效的“诱饵分子”在常温、水中，每1个酶分子可以将个4个甲烷分子转化为甲醇。
尽管P450BM3所属的P450酶系在自然界中有数万种，但尚未确认到能将甲烷转化为甲醇的酶。
目前虽然还存在反应效率低，生成的甲醇在于水中难以分离等问题，但本次实验全球首次实现了甲烷的氢氧化。虽然已经施压，但由于甲烷很小难以封存，因此未来的目标是通过这一改善来提高产量。
由于甲烷氢氧化的实用性，全球范围都在进行相关研究，但其他研究团队主要采用基因改造等不同的方法进行研究，目前均未取得成功。
有安助教表示：“部分性地填充锁孔并自由改变锁孔形状的技术，通过变更“诱饵分子”来作成各种形状。我们期待这项技术能够为低环境负荷下制造出功能性高分子材料、香料等功能性分子，以及为推动低环境负荷的物质转化技术的发展做出贡献。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：ACS Catalysis
论文：Catalytic Oxidation of Methane by Wild-Type Cytochrome P450BM3 with Chemically Evolved Decoy Molecules
DOI：10.1021/acscatal.3c01158
