Вчені знайшли фермент дихання, що може допомогти в боротьбі з CO₂

Міжнародна група вчених зробила вагоме відкриття щодо механізму роботи найдавнішого ферменту клітинного дихання, що може мати революційне значення для розробки технологій поглинання вуглекислого газу. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, пояснює, як мікроорганізми виробляють енергію в середовищах без кисню, використовуючи складний молекулярний механізм.

Відомо, що тварини, рослини та багато інших живих організмів вдихають кисень для «спалювання» (окиснення) сполук, наприклад цукру, в CO₂ і воду, в процесі чого утворюється багата на енергію молекула АТФ. Клітини потребують АТФ для живлення життєво важливих реакцій. Однак на ранніх етапах існування нашої планети атмосфера ще не містила кисню.

Незважаючи на це, дослідження стародавніх бактерій, які й сьогодні зустрічаються в екосистемах без кисню, наприклад, у гарячих джерелах на дні океану, свідчать про те, що особлива форма дихання могла існувати навіть тоді. Ці мікроорганізми «дихають», перетворюючи вуглекислий газ і водень на оцтову кислоту.

«Нам вдалося показати, що саме виробництво оцтової кислоти активує складний механізм, під час якого іони натрію викачуються з бактеріальної клітини у навколишнє середовище», — пояснює професор Фолькер Мюллер, керівник кафедри молекулярної мікробіології та біоенергетики Університету Гете у Франкфурті. «Це зменшує концентрацію натрію всередині клітини, при цьому оболонка клітини діє як своєрідна гребля для іонів. Коли ця гребля відкривається, іони натрію течуть назад у клітину, запускаючи свого роду молекулярну турбіну, яка генерує АТФ».

Ключову роль у цьому процесі відіграє комплекс білків, відомий як Rnf-комплекс. Ці білки здебільшого вбудовані в мембрану, що оточує бактеріальну клітину. «Комплекс настільки чутливий, що ми змогли виділити його лише кілька років тому», — наголошує Мюллер.

Коли вуглекислий газ реагує з воднем з утворенням оцтової кислоти, електрони переносяться з водню на атом вуглецю через серію різних проміжних етапів, у яких Rnf-комплекс відіграє посередницьку роль, приймаючи та передаючи електрони.

Структурний біолог Ануй Кумар, який є аспірантом як у дослідницькій групі Мюллера, так і в групі доктора Яна Шуллера в Університеті Марбурга, використав складний метод, відомий як кріоелектронна мікроскопія. У рамках цього методу очищений Rnf-комплекс бактерії Acetobacterium woodii був «шоково заморожений», а потім нанесений на пластину-носій.

«Ці зображення можна поєднати в тривимірне, що дає нам точний погляд на структуру комплексу, особливо на ті частини, які необхідні для передачі електронів», — пояснює Кумар. Аналіз зображень, зроблених через різні проміжки часу, показує, що окремі компоненти комплексу динамічно рухаються назад і вперед, що дозволяє носіям електронів долати більші відстані та передавати свій вантаж.

Залишалося питання: як потік електронів запускає відтік іонів натрію? Молекулярно-динамічне моделювання, проведене робочою групою професора Вілле Кайли зі Стокгольмського університету, дало початкову відповідь. Ключову роль відіграє кластер атомів заліза та сірки, розташований у середині мембрани, який після поглинання електрона набуває негативного заряду.

«Позитивно заряджені іони натрію з середини клітини притягуються до цього кластера, як до магніту», — пояснює Дженніфер Рот, докторантка в дослідницькій групі Мюллера. «Це притягання, своєю чергою, спричиняє зміщення білків навколо залізо-сіркового кластера, подібно до перемикача: вони створюють отвір, що веде до зовнішньої сторони мембрани, через який іони натрію знову вивільняються».

Рот змогла підтвердити цей процес, внісши специфічні генетичні зміни до білків Rnf. Той факт, що цей принципово новий механізм вдалося з'ясувати, свідчить про успішну співпрацю між трьома університетами.

Результати стають ще цікавішими через здатність мікроорганізмів поглинати CO₂ з навколишнього середовища під час процесу виробництва оцтової кислоти. Ця здатність потенційно може бути використана для видалення парникових газів з промислових викидів. Це могло б допомогти сповільнити зміни клімату при одночасному забезпеченні цінної сировини для хімічної промисловості.

«Коли ми знаємо, як бактерії генерують енергію в цьому процесі, ми можемо оптимізувати його таким чином, щоб виробляти кінцеві продукти ще вищої якості», — сподівається Мюллер. Ці відкриття також можуть надати відправні точки для створення нових ліків проти патогенів із подібними дихальними ферментами.