Углекислый газ (CO 2 ) является наиболее распространенным парниковым газом, вызывающим изменение климата, но он существовал на Земле задолго до того, как люди начали выбрасывать его в атмосферу в беспрецедентных количествах. Таким образом, некоторые из самых ранних организмов планеты эволюционировали, чтобы использовать этот газ, который в противном случае вреден для людей и планеты.
Один из этих процессов, называемый путем Вуда-Льюнгдала, происходит только в отсутствие кислорода и считается наиболее эффективным путем фиксации углерода в природе. Но как именно путь переходит от одного шага к другому, остается неясным.
Теперь ученые из Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Мичиганского университета, Северо-Западного университета и Университета Карнеги-Меллона обнаружили ранее неизвестные внутренние механизмы пути Вуда-Льюнгдала.
Их результаты, опубликованные в журнале Американского химического общества в прошлом месяце, не только проливают свет на одну из старейших химических реакций на Земле, но также могут привести к усовершенствованию методов улавливания углерода для усилий по смягчению последствий изменения климата.
«До этого исследования мы знали, что для того, чтобы путь Вуда-Льюнгдала генерировал углерод для использования организмами, он начинается с углекислого газа », — сказал Мейкон Абернати, научный сотрудник SSRL и соавтор исследования. «Затем он превращает CO 2 в монооксид углерода и метильную группу и с помощью какой-то химической магии объединяет их в форму углерода, которую организм может использовать».
В течение многих лет ученые постулировали, что этот путь осуществляется через ряд металлоорганических промежуточных соединений на основе никеля, которые образуют связи металл-углерод. В частности, исследователи сосредоточили внимание на комплексе из двух никель-железо-серных белков, называемых СО-дегидрогеназой и ацетил-КоА-синтазой (CODH/ACS), которые являются основными ферментами, катализирующими превращение углекислого газа в энергию и структурный углерод для построения клеточные стенки и белки.
Но подтвердить эту гипотезу оказалось непросто, поскольку ферментный комплекс необходимо очищать в атмосфере с недостатком кислорода, как на ранней Земле 4 миллиарда лет назад, когда появились эти белки и этот путь. Кроме того, промежуточные соединения часто нестабильны, и реакция может быстро стать неактивной. Кроме того, наличие других атомов никеля и железа в составе ХОДГ мешает исследованию АХС, являющемуся целью настоящего исследования.
Чтобы обойти эти проблемы, исследователи разработали более активную версию белка, содержащую только ACS — без CODH — и использовали рентгеновские лучи в SSRL, чтобы понять содержащиеся в нем металлы и то, как они работают внутри фермента. Команда применила рентгеновскую спектроскопию, метод, с помощью которого ученые изучают интерференцию света, который поглощается, испускается и затем отражается от металлов в комплексе — здесь ACS — для выявления изменений химических связей по мере протекания реакций. .
Одним словом, ученые подтвердили свою давнюю гипотезу.
«Мы обнаружили, что существует очень сложная часть металлоорганической химии, в которой один участок никеля в ферменте делает все самое интересное», — сказал Ритимукта Саранджи, старший научный сотрудник SSRL и соавтор исследования.
Команда выяснила, что, хотя фермент имеет кластер из двух никелей, связанных с четырьмя атомами железа и серы, реакция всегда происходит на одном конкретном никеле внутри кластера, сказал Стив Рэгсдейл, профессор Мичиганского университета и автор соответствующей статьи. на учебе. «Углерод, такой как монооксид углерода , метильная группа и ацетильная группа, все связываются с никелем, ближайшим к железу и сере, и совершенно ясно, что они не связываются ни с одним из других металлов».
Исследователи также заметили, что никельсодержащий белок претерпевает серьезные изменения в своей структуре в каждом из промежуточных состояний, сказал Рэгсдейл. «Это то, что на самом деле не было частью нашей первоначальной гипотезы. Мы просто думали о том, что основная химия основана на никеле. Но затем мы видим все эти другие изменения, которые происходят в белке, что было немного удивительно».
По словам Абернати, хотя у исследователей были серьезные представления о том, как работает эта реакция, они, тем не менее, впечатляли ее в действии.
«Это такая точная тонкая настройка природы, чтобы прийти к этой элегантной системе, которая осуществляет этот катализ», — сказал Саранджи. «Мне просто нравится это, а также наша способность использовать рентгеновскую спектроскопию, которая является чрезвычайно мощным инструментом для выяснения того, что происходит в природе. Ресурс структурной молекулярной биологии SSRL имеет ведущую в мире программу биологической рентгеновской спектроскопии, которая позволяет изучение таких сложных биологических процессов».
Помимо своей признательности за природную красоту самого пути Вуда-Льюнгдала, Рэгсдейл выразил надежду, что исследования, направленные на лучшее понимание этих природных процессов и, возможно, усиление этих процессов, могут привести к методам смягчения последствий изменения климата и разработки улавливания углерода для производства химического сырья . и топлива. «Я думаю, что мы должны сначала понять основы биохимии, лежащие в основе этого процесса, — сказал он, — прежде чем мы сможем добиться прогресса в улучшении некоторых из этих путей, существующих в природе».
Теги: биотехнологии
