Дослідники з Університету Гете розшифрували механізм роботи найдавнішого ферменту клітинного дихання, що відкриває перспективи для розробки технологій видалення CO2 з промислових викидів.
Клітинне дихання є фундаментальним процесом для життя. Більшість організмів використовують кисень для окислення цукрів до CO2 та води. При цьому утворюється АТФ — універсальне джерело енергії для клітин.
В ранній історії Землі кисню в атмосфері не було. Проте деякі мікроорганізми розвинули альтернативні механізми дихання. Вони навчилися використовувати вуглекислий газ та водень для отримання енергії.
Розкриття цього давнього механізму дихання не лише поглиблює наше розуміння еволюції життя, але й може запропонувати інноваційні підходи до боротьби зі змінами клімату.
Безкисневе дихання стародавніх бактерій
Дослідження зосередилося на бактерії Acetobacterium woodii. Цей мікроорганізм “вдихає” вуглекислий газ і водень. У результаті утворюється оцтова кислота. Механізм такого метаболізму був відомий раніше, але не було зрозуміло, як саме при цьому генерується АТФ.
“Ми змогли показати, що саме виробництво оцтової кислоти активує складний механізм, в рамках якого іони натрію викачуються з бактеріальної клітини в навколишнє середовище”, – пояснює професор Фолькер Мюллер.
Це створює градієнт концентрації натрію на клітинній мембрані.
Коли іони натрію повертаються назад у клітину, вони приводять у дію молекулярну “турбіну”. Цей процес нагадує роботу гідроелектростанції. Проходження іонів крізь мембрану генерує енергію для синтезу АТФ.
Ключову роль у цьому процесі відіграє білковий комплекс Rnf. Він вбудований у клітинну мембрану. Цей комплекс є настільки чутливим, що вченим вдалося виділити його лише кілька років тому.
Інноваційні методи дослідження
Дослідники використали передову технологію кріоелектронної мікроскопії. Очищений комплекс Rnf був шоково заморожений і нанесений на пластину-носій. Утворилася тонка плівка льоду з мільйонами комплексів.
Оскільки комплекси падали на пластину під різними кутами, електронний мікроскоп міг зафіксувати їх з різних боків. Аспірант Анудж Кумар працював як у дослідницькій групі Мюллера, так і в групі доктора Яна Шуллера з Марбурзького університету.
“Ці зображення можна об’єднати в тривимірне, що дало нам точне уявлення про структуру комплексу”, – пояснює Кумар. Особливо важливими виявились деталі, відповідальні за перенесення електронів. Аналіз зображень різної часової послідовності показав динамічну природу комплексу.
Компоненти комплексу не статичні. Вони постійно рухаються, що дозволяє переносникам електронів долати значні відстані. Цей механізм забезпечує ефективну передачу електронів через мембрану.
Молекулярні деталі процесу
Ключове питання полягало в тому, як потік електронів керує виведенням іонів натрію. Для відповіді на нього дослідники звернулися до молекулярно-динамічного моделювання. Цю роботу провела група професора Вілле Кайла зі Стокгольмського університету.
Центральну роль відіграє кластер з атомів заліза та сірки. Він розташований у середині мембрани. Після захоплення електрона цей кластер набуває негативного заряду.
“Позитивно заряджені іони натрію зсередини клітини притягуються до цього кластера, як магніт”, – пояснює Дженніфер Рот, докторантка з групи Мюллера. Це притягання викликає зміщення білків навколо залізо-сірчаного кластера.
Білки створюють отвір, що веде назовні мембрани. Через цей отвір іони натрію виходять з клітини. Рот підтвердила цей механізм, вносячи генетичні зміни в білки Rnf.
Практичне значення відкриття
Результати дослідження мають значний потенціал для практичного застосування. Здатність мікроорганізмів поглинати СО2 відкриває можливості для розробки нових технологій очищення промислових викидів.
Такі технології могли б одночасно сприяти боротьбі зі зміною клімату та забезпечувати цінну сировину для хімічної промисловості. Поглинання вуглекислого газу з подальшим перетворенням його на корисні хімічні сполуки – багатообіцяючий напрямок зеленої хімії.
“Як тільки ми дізнаємося, як бактерії генерують енергію в процесі, ми зможемо оптимізувати цей процес таким чином, що зможемо виробляти ще більш якісні кінцеві продукти”, – сподівається професор Мюллер.
Глибше розуміння механізму дозволить підвищити його ефективність.
Крім того, отримані результати можуть стати відправною точкою для розробки нових ліків. Багато патогенних мікроорганізмів мають схожі дихальні ферменти. Знання їх будови та механізму дії відкриває шлях для створення специфічних антибактеріальних препаратів.
Це дослідження є чудовим прикладом міждисциплінарної співпраці. Три університети об’єднали зусилля та експертизу в різних галузях. Результатом стало відкриття принципово нового біохімічного механізму, що функціонував на Землі мільярди років до появи кисневої атмосфери.
#Стародавні #мікроби #навчилися #виробляти #енергію #без #кисню
Source link
