Термостабильная нитрогеназа архей производит аммиак почти при кипении
Исследователи выделили необычайно устойчивый фермент из глубоководного микроорганизма Methanocaldococcus infernus. Его нитрогеназа превращает молекулярный азот в аммиак при высокой температуре и сохраняет часть структуры даже при 98 °C. Работа помогает понять раннюю эволюцию азотфиксации и может оказаться полезной для будущих биотехнологий.
Азот составляет около 78% атмосферы, но растения и животные не могут напрямую использовать молекулы N₂. Их два атома удерживает прочная тройная связь. Некоторые микроорганизмы способны разрывать её с помощью нитрогеназы и получать аммиак — доступную исходную форму для построения биологических молекул.
Фермент приспособлен к экстремальной среде
Архея M. infernus обитает в морских вулканических районах, где жидкости гидротермальных источников могут быть горячее кипящей воды. Поэтому её белки должны работать в условиях, при которых большинство обычных ферментов быстро разрушается.
Выделенная нитрогеназа начала заметно распадаться только при 90 °C, а часть белка сохранилась и при 98 °C. При комнатной температуре фермент неактивен: аммиак он производит именно при сильном нагреве. Такая устойчивость позволила исследователям зафиксировать состояния молекулы, которые у других нитрогеназ трудно наблюдать.
Нитрогеназа содержит сложный металлический кофактор. Наиболее изученные варианты используют молибден, однако существуют также ванадиевые и полностью железные формы. Фермент M. infernus сочетает структурные особенности всех трёх семейств, поэтому может напоминать общего предка современных нитрогеназ.
Структура подсказала общий механизм
Команда получила изображение фермента с разрешением, близким к атомному. Затем учёные подтвердили присутствие молибдена при помощи синхротронных измерений. Анализ выявил ранее не наблюдавшееся состояние молибденсодержащей нитрогеназы, которое может соответствовать промежуточному этапу реакции.
Ранее подобное состояние удавалось увидеть только у ванадиевых и железных форм. Его обнаружение в молибденовом ферменте указывает на то, что разные нитрогеназы, вероятно, разрывают тройную связь азота по общему принципу.
Эксперименты потребовали объединить методы физиологии микроорганизмов, очистки нативных ферментов, биохимии и структурной биологии. Все операции проводили без кислорода, поскольку он необратимо повреждает металлические центры нитрогеназы.
Возможности для биотехнологий
Промышленное производство аммиака требует высоких температур, давления и больших затрат энергии. Биологическая азотфиксация идёт по другому пути, поэтому точное понимание её механизма важно для поиска более экономичных технологий.
Читайте также по теме: генных схемах для распознавания сигналов.
Авторы не заявляют о готовом промышленном процессе. Однако термостабильный фермент удобнее изучать и потенциально проще приспосабливать к технологическим условиям. Полученная структура даёт исследователям основу для дальнейших экспериментов с катализом, устойчивостью белков и управлением азотным циклом.
