Kluczowe dla życia azotogenazy mogą również redukować CO2 do cennych substancji chemicznych. Nowe badania pokazują, że nitrogenaza Fe jest bardziej skuteczna w tym procesie, co stwarza możliwości dla zrównoważonych biotechnologii.
Nitrogenazy należą do najważniejszych geochemicznie enzymów na Ziemi, dostarczających wszystkim formom życia biodostępny azot w postaci amoniaku (NH3). Niektóre azotazy mogą również bezpośrednio przekształcać CO2 w łańcuchy węglowodorowe, co czyni je ekscytującym celem dla rozwoju procesów biotechnologicznych. Zespół badaczy z Marburga w Niemczech, kierowany przez naukowca Maxa Plancka, Johannesa Rebeleina, przedstawił obecnie kompleksowy wgląd w specyficzność substratu i preferencje azotazy. Ich wyniki podważają obecne rozumienie azotaz i podkreślają ich potencjał w zakresie zrównoważonej bioprodukcji.
Azot jest jednym z głównych elementów budulcowych naszych komórek. Jednak większość azotu na Ziemi występuje w postaci gazowej N2 i jest chemicznie nieużyteczny dla komórek. Tylko jedna rodzina enzymów jest w stanie przekształcić N2 w biodostępną formę amoniaku (NH3): azotazy.
Odkrywanie wszechstronności nitrogenaz
Naukowcy pod kierownictwem Johannesa Rebeleina z Instytutu Mikrobiologii Lądowej im. Maxa Plancka w Marburgu odkryli niedawno, że niektóre azotazy mogą również radzić sobie z innym ważnym substratem: redukują emisję gazu cieplarnianego CO2 na węglowodory (metan, etylen, etan) i mrówkowy kwas. Wszystkie te produkty są potencjalnymi źródłami energii i chemikaliami ważnymi dla przemysłu. Mając na uwadze zrównoważoną, neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla bioprodukcję, zespół chciał wiedzieć: jak dobrze enzymy potrafią rozróżniać CO2 i N2? I czy mikroorganizmy rosnące na N2 również zmniejszyć emisję CO2 w normalnych, fizjologicznych warunkach?
Rola izoenzymów w CO2 Zmniejszenie
Aby odpowiedzieć na te pytania, naukowcy skupili się na bakterii fotosyntetyzującej Rhodobacter capsulatusktóry zawiera dwa izoenzymy: azotazę molibdenu (Mo) i azotazę żelaza (Fe), których bakteria potrzebuje jako rezerwę na wypadek niedoboru molibdenu. Naukowcy wyizolowali obie azotazy i porównali ich CO2 redukcja za pomocą testów biochemicznych. Odkryli, że azotaza Fe faktycznie redukuje CO2 trzy razy wydajniej niż jego odpowiednik zawierający molibden i wytwarza kwas mrówkowy i metan w atmosferze CO2 stężenia.
Gdy obu enzymom zaoferowano CO2 i N2 w tym samym czasie stała się oczywista kolejna ważna różnica: podczas gdy nitrogenaza Mo selektywnie redukuje N2, nitrogenaza Fe ma tendencję do wybierania CO2 jako podłoże. „Zwykle większa szybkość reakcji enzymów odbywa się kosztem dokładność. Co ciekawe, Mo-nitrogenaza jest zarówno szybsza, jak i bardziej selektywna, wykazując swoją przewagę w N2 zmniejszenie. Niższa specyficzność azotazy Fe i jej preferencja wobec CO2 czynią go obiecującym punktem wyjścia do opracowania nowego CO2 reduktazy” – mówi Frederik Schmidt, doktorant w laboratorium Johannesa Rebeleina i współautor badania.
Powszechna spółka CO2 Redukcja w przyrodzie?
Niska selektywność nie była jedyną niespodzianką. „Przeanalizowaliśmy, która część elektronów trafiła do jakiego produktu i odkryliśmy, że metan i wysokie stężenia kwasu mrówkowego pochodzącego z CO2 konwersję przez azotazę Fe były wydzielane przez bakterie nawet wtedy, gdy nie było dodatkowego CO2 do hodowli dodano: metabolicznie pochodzący CO2 wystarczyło do napędzania tego procesu. Odkrycie to sugeruje, że CO katalizowany azotazą Fe2 redukcja może rzeczywiście mieć charakter powszechny” – mówi Niels Oehlmann, współpierwszy autor badania. Oznacza to również, że dostępność i wymiana substratów jednowęglowych prawdopodobnie wpłynie na społeczności drobnoustrojów w różnych środowiskach.
Praca podważa tradycyjny pogląd na azotazy jako prawdziwe enzymy konwertujące azot. Bakterie fotosyntetyzujące, takie jak R. capsulatusktóre wykorzystują energię świetlną do stymulacji azotaz do konwersji gazu cieplarnianego CO2mogą odegrać kluczową rolę nie tylko pod względem wpływu na środowisko, ale także w przejściu społecznym w kierunku zrównoważonej gospodarki o obiegu zamkniętym, mówi Johannes Rebelein.
„Pomysł polega na tym, że możemy przechowywać energię światła słonecznego przechwyconego przez aparat fotosyntetyczny mikroorganizmu w węglowodorach wytwarzanych przez azotazę. W przyszłości chcemy dalej rozwijać azotazę żelaza w celu wykorzystania jej do CO2 utrwalenie i wykorzystanie.
Odniesienie: „Nitrogenaza żelaza redukuje dwutlenek węgla do mrówczanu i metanu w warunkach fizjologicznych: droga do substancji chemicznych jako surowca” 14 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.17617/3.45S7EP
