名古屋大學(xué)研究生理學(xué)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布，成功開發(fā)出在室溫和水中利用酶將天然氣的主要成分甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的技術(shù)。利用了人為控制酶的功能的獨特技術(shù)“底物誤識別系統(tǒng)”。通過將合成的類似長鏈脂肪酸“誘餌分子”與甲烷一起導(dǎo)入本來與長鏈脂肪酸產(chǎn)生氫氧化反應(yīng)來自巨大芽孢桿菌的金屬酶細(xì)胞色素P450BM3中，成功將甲烷轉(zhuǎn)化成了甲醇。該技術(shù)有望取得有效利用甲烷氣體的成果。該研究成果已發(fā)表于美國化學(xué)會催化化學(xué)專業(yè)期刊《ACS Catalysis》6月14日號上。

圖１　將甲烷轉(zhuǎn)化成甲醇 （供圖：名古屋大學(xué)）

甲烷是天然氣的主要組成成分，在地球上大量存在，但由于其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，因此以目前的技術(shù)進行化學(xué)轉(zhuǎn)化需要大量的能量，因此目前對甲烷的利用尚未取得進展。在日本近海存在著甲烷水合物，如果能將甲烷低能耗地轉(zhuǎn)化為甲醇，將有望引發(fā)能源革命。

雖然對常溫狀態(tài)下在水中發(fā)揮作用的酶的使用抱有期待，但將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的酶（甲烷單加氧酶）難以處理且無法大規(guī)模生產(chǎn)。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(fā)了一種名為“底物誤識別系統(tǒng)”，設(shè)計了與酶發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化的特定化合物形狀相似的人工分子“誘餌分子”，通過欺騙酶吸收并激活誘餌分子，從而實現(xiàn)對本來不是目標(biāo)的化合物進行化學(xué)轉(zhuǎn)化。利用自然界中大量存在的來自巨大芽孢桿菌的長鏈脂肪酸羥化酶P450BM3，在常溫且在水中成功實現(xiàn)了苯轉(zhuǎn)到苯酚的化學(xué)轉(zhuǎn)變、乙烷和丙烷的高效率氫氧化。P450BM3是一種反應(yīng)中心含有鐵（Fe）金屬的高活性金屬酶，通過大腸桿菌可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。

在該技術(shù)中， “誘餌分子”被設(shè)計得比原本要進行化學(xué)轉(zhuǎn)化的目標(biāo)分子更短，并通過將希望反應(yīng)的化合物嵌入并固定化，以類似將其塞進瓶塞的方式來激活酵素。

此次研究團隊為了實現(xiàn)該酶對甲烷氫氧化，從目前設(shè)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(jié)果證實，在數(shù)種“誘餌分子”中通過氣相色譜法檢測到了甲醇。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(zhuǎn)化為甲醇。

盡管P450BM3所屬的P450酶系在自然界中有數(shù)萬種，但尚未確認(rèn)到能將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的酶。

目前雖然還存在反應(yīng)效率低，生成的甲醇在于水中難以分離等問題，但本次實驗全球首次實現(xiàn)了甲烷的氫氧化。雖然已經(jīng)施壓，但由于甲烷很小難以封存，因此未來的目標(biāo)是通過這一改善來提高產(chǎn)量。

由于甲烷氫氧化的實用性，全球范圍都在進行相關(guān)研究，但其他研究團隊主要采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：“部分性地填充鎖孔并自由改變鎖孔形狀的技術(shù)，通過變更“誘餌分子”來作成各種形狀。我們期待這項技術(shù)能夠為低環(huán)境負(fù)荷下制造出功能性高分子材料、香料等功能性分子，以及為推動低環(huán)境負(fù)荷的物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展做出貢獻?！?/p>

原文：《科學(xué)新聞》