Мікроорганізми здатні до незвичайної хімії. Одним із прикладів є фіксація азоту, яка є процесом, який перетворює газоподібний азот (N2) у формі, яку реально можуть використовувати живі організми. Азот становить приблизно 78 відсотків атмосфери Землі, але рослини та тварини не можуть використовувати його безпосередньо, оскільки два атоми азоту в N2 з’єднані надзвичайно міцним хімічним потрійним зв’язком.
Деякі мікроорганізми знайшли рішення цієї проблеми. Вони можуть розірвати цей зв’язок і N2 до аміаку, який потім включається в біологічні молекули. Одним із таких організмів є глибоководний археон Methanocalcoccus infernusякий живе у вулканічних морських середовищах, де вентиляційні рідини можуть досягати температури вище точки кипіння води.
Дослідники з лабораторії Трістана Вагнера з Інституту морської мікробіології Макса Планка в Бремені хотіли зрозуміти, як цей організм здійснює фіксацію азоту в таких екстремальних умовах. Їм вдалося «приручити» мікроб в лабораторії і Н2 при температурі вище 90 °C.
«Як вони це роблять, у таку спеку? І як фермент може розщепити N2 чи працює тріада за цих обставин?» — запитав себе Вагнер.
Фермент, який уможливлює фіксацію азоту
Ключовим ферментом цієї здатності є нітрогеназа. Він містить те, що відомо як найскладніший металофактор у біології. Металокофактори – це металовмісні допоміжні молекули, які зв’язуються з ферментами і необхідні для їх діяльності.
Найбільш вивчені та найвищі нітрогенази містять металофактори молібдену. Інші версії використовують замість нього ванадій або просто залізо. Вчені все ще намагаються з’ясувати, як пов’язані ці різні нітрогенази і як саме їхні металеві центри дозволяють N2 потрійний зв’язок.
Нітрогеназа розроблена для екстремальної спеки
«Нітрогеназа в Methanocalcoccus infernus цікавий тим, що, здається, має характеристики форм молібдену, ванадію та заліза. Цей тип нітрогенази може бути подібним до загального предка нітрогенази, найдавнішої системи, з якої всі вони еволюціонували. Таким чином, він може надати загальні принципи реакції нітрогенази», — говорить Вагнер.
Команда успішно виділила нітрогеназу безпосередньо з мікроорганізму і виявила, що він надзвичайно стійкий до тепла. Білок почав руйнуватися тільки при температурі 90 °С, а частина його залишилася незмінною навіть при 98 °С.
«Це свідчить про те, що цей фермент призначений для функціонування в умовах, коли більшість білків швидко розкладається, наприклад, яєчні білки, зварені в гарячій воді», — говорить перший автор Невена Маслах з Інституту морської мікробіології Макса Планка. «Він неактивний при кімнатній температурі. Натомість ми показуємо, що він виробляє аміак лише при високих температурах. Його надзвичайна стабільність дозволила нам вивчити стан нітрогенази, який зазвичай важко отримати».
Атомний вид нітрогенази великим планом
Дослідникам не довелося повертатися в морські глибини, щоб детально вивчити фермент. Натомість вони поєднали мікробну фізіологію, очищення природних ферментів, біохімію та структурну біологію. Кожен етап має виконуватися в умовах повної відсутності кисню, оскільки кисень може остаточно пошкодити металофактори нітрогенази.
Команда кристалізувала фермент і досліджувала його в Інституті біологічної структури в Греноблі, Франція. Там вони використовували синхротрон закладу, круговий прискорювач частинок, який виробляє потужне рентгенівське випромінювання.
Це дозволило їм визначити молекулярну структуру ферменту з роздільною здатністю, близькою до атомної. Нітрогеназа є найпростішим відомим прикладом ферменту, коли-небудь вивченого, що поєднує структурні особливості всіх трьох основних сімейств нітрогеназ: молібдену, ванадію та форм, що містять лише залізо.
Ця комбінація свідчить про те, що стародавні нітрогенази більше схожі на ці архейні ферменти, ніж на сучасні нітрогенази бактерій.
Потім дослідники спробували підтвердити, що фермент містить металофактори молібдену.
«Наш пошук молібдену був технічно надзвичайно складним і вимагав від експертів із синхротронів довести свій інструмент до абсолютної межі», — каже Вагнер.
Вчені зафіксували несподіваний стан молекули
Вимірювання підтвердили очікуваний сигнал молібдену, але вони також зробили деякі сюрпризи.
«Ми були здивовані, побачивши раніше не спостережуваний стан у нітрогеназі, що містить молібден!»
Раніше дослідники спостерігали цей так званий «транзакційний» стан лише в нітрогеназах ванадію та заліза. Стан може вказувати на проміжну стадію реакції, яка руйнує N2.
Виявлення того самого стану в молібденвмісному ферменті свідчить про те, що всі форми нітрогенази можуть використовувати загальний основний механізм для розділення молекули азоту.
Від глибоководних мікробів до біотехнологій майбутнього
Розуміння фіксації азоту з глибоководних середовищ є важливим. Нітрогеновмісні мікроорганізми, такі як М. інфернус вони перетворюють азот в аміак, але вони також відіграють важливу роль у кругообігу вуглецю на Землі. Такі мікроорганізми відповідають за половину метану в атмосфері.
У майбутньому дослідники зможуть використовувати ці організми як біологічні системи для перетворення газів у корисні продукти, включаючи метан і аміак, використовуючи зелений водень як джерело енергії.
«А що, якби одного дня культури могли отримувати азот безпосередньо з атмосфери N2«Вагнер спекулює.
Такий прогрес може зменшити залежність сільського господарства від промислових добрив. Виробництво добрив за допомогою процесу Хабера-Боша вимагає великої кількості енергії та пов’язане з викидами парникових газів. Надмірне використання добрив також може сприяти евтрофікації та іншій шкоді навколишньому середовищу.
«На даний момент дослідження пропонує дещо важливіше: оновлений молекулярний погляд на одну з найзахопливіших хімічних реакцій біології».
