名古屋大學研究生理學研究科的莊司長三教授和有安真也助教、米村開（研究生）等人組成的研究團隊宣佈，成功開發出在室溫和水中利用酶將天然氣的主要成分甲烷轉化爲甲醇的技術。利用了人爲控制酶的功能的獨特技術「受質誤識別系統」。透過將合成的類似長鏈脂肪酸「誘餌分子」與甲烷一起導入本來與長鏈脂肪酸產生氫氧化反應來自巨大孢子桿菌的金屬酶細胞色素P450BM3中，成功將甲烷轉化成了甲醇。該技術有望取得有效利用甲烷氣體的成果。該研究成果已發表於美國化學會催化化學專業期刊《ACS Catalysis》6月14日號上。
圖１ 將甲烷轉化成甲醇 （供圖：名古屋大學）
甲烷是天然氣的主要組成成分，在地球上大量存在，但由於其化學性質非常穩定，因此以目前的技術進行化學轉化需要大量的能量，因此目前對甲烷的利用尚未取得進展。在日本近海存在着甲烷水合物，如果能將甲烷低能耗地轉化爲甲醇，將有望引發能源革命。
雖然對常溫狀態下在水中發揮作用的酶的使用抱有期待，但將甲烷轉化爲甲醇的酶（甲烷單加氧酶）難以處理且無法大量生產。此外，考慮到酶基本上具有像鑰匙和鑰匙孔一樣只接受特定化合物的特性，所以無法用其他酶代替。
對此研究團隊開發了一種名爲「受質誤識別系統」，設計了與酶發生化學轉化的特定化合物形狀相似的人工分子「誘餌分子」，透過欺騙酶吸收並激活誘餌分子，從而實施對本來不是目標的化合物進行化學轉化。利用自然界中大量存在的來自巨大孢子桿菌的長鏈脂肪酸羥化酶P450BM3，在常溫且在水中成功實施了苯轉到苯酚的化學轉變、乙烷和丙烷的高效率氫氧化。P450BM3是一種反應中心含有鐵（Fe）金屬的高活性金屬酶，透過大腸桿菌可以進行大量生產。
在該技術中， 「誘餌分子」被設計得比原本要進行化學轉化的目標分子更短，並透過將希望反應的化合物嵌入並固定化，以類似將其塞進瓶塞的方式來激活酵素。
此次研究團隊爲了實施該酶對甲烷氫氧化，從目前設計的600種「誘餌分子」庫中找尋找能夠固定最小尺寸的甲烷分子的「誘餌分子」。驗證了其中約40種類型分子在甲烷的氫氧化中是有效的。
結果證實，在數種「誘餌分子」中透過氣體色層分離法檢測到了甲醇。其中最高效的「誘餌分子」在常溫、水中，每1個酶分子可以將個4個甲烷分子轉化爲甲醇。
儘管P450BM3所屬的P450酶系在自然界中有數萬種，但尚未應答到能將甲烷轉化爲甲醇的酶。
目前雖然還存在反應效率低，生成的甲醇在於水中難以分離等問題，但本次實驗全球首次實施了甲烷的氫氧化。雖然已經施壓，但由於甲烷很小難以封存，因此未來的目標是透過這一改善來提高產量。
由於甲烷氫氧化的實用性，全球範圍都在進行相關研究，但其他研究團隊主要採用基因改造等不同的方法進行研究，目前均未取得成功。
有安助教表示：「部分性地填充鎖孔並自由改變鎖孔形狀的技術，透過變更「誘餌分子」來作成各種形狀。我們期待這項技術能夠爲低環境負荷下製造出功能性聚合體材料、香料等功能性分子，以及爲推動低環境負荷的物質轉化技術的隊形變換做出貢獻。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：ACS Catalysis
論文：Catalytic Oxidation of Methane by Wild-Type Cytochrome P450BM3 with Chemically Evolved Decoy Molecules
DOI：10.1021/acscatal.3c01158
