Вчені підтверджують, що нікель відіграє ключову роль у стародавній хімічній реакції

Вуглекислий газ (CO₂) є найпоширенішим парниковим газом, що спричиняє зміну клімату, але існував на Землі задовго до того, як люди почали викидати його в атмосферу в безпрецедентних рівнях. Таким чином, деякі з найдавніших організмів планети еволюціонували, щоб використовувати та використовувати цей газ, який інакше є шкідливим для людей і планети.

Один із цих процесів, який називається шляхом Вуда-Люнгдала, відбувається лише за відсутності кисню і вважається найефективнішим шляхом фіксації вуглецю в природі. Але як саме шлях проходить від одного кроку до наступного, залишається незрозумілим.

Тепер вчені зі Стенфордського джерела синхротронного випромінювання (SSRL) Національної прискорювальної лабораторії SLAC Мічиганського університету, Північно-Західного університету та Університету Карнегі-Меллона виявили раніше невідому внутрішню роботу шляху Вуда-Люнгдала.

Їхні висновки, опубліковані в Журналі Американського хімічного товариства минулого місяця, не тільки проливають світло на одну з найстаріших хімічних реакцій на Землі, але також можуть призвести до вдосконалення методів уловлювання вуглецю для пом’якшення кліматичних змін.

«До цього дослідження ми знали, що для того, щоб шлях Вуда-Люнгдала генерував вуглець для використання організмами, він починається з вуглекислого газу», — сказав Мейкон Абернаті, науковий співробітник SSRL і співавтор дослідження. «Потім він перетворює CO₂ на окис вуглецю та метилову групу та за допомогою якоїсь хімічної магії зливає їх у форму вуглецю, яку може використовувати організм».

Протягом багатьох років вчені постулювали, що цей шлях проходить через серію металоорганічних проміжних сполук на основі нікелю, які утворюють зв’язки метал-вуглець. Зокрема, дослідники зосередилися на комплексі двох білків нікель-залізо-сірка, які називаються СО-дегідрогеназою та ацетил-КоА-синтазою (CODH/ACS), які є основними ферментами, що каталізують перетворення вуглекислого газу в енергію та структурний вуглець для будівництва клітинні стінки та білки.

Але підтвердити цю гіпотезу виявилося складно, оскільки ферментний комплекс потрібно очищати в атмосфері, де бракує кисню, як на ранній Землі 4 мільярди років тому, коли з’явилися ці білки та цей шлях. Крім того, проміжні сполуки часто нестабільні, і реакція може швидко стати неактивною. Крім того, наявність інших атомів нікелю та заліза в CODH заважає вивченню ACS, цілі цього дослідження.

Щоб обійти ці проблеми, дослідники розробили більш активну версію білка, що містить лише ACS, без CODH, і використали рентгенівські промені в SSRL, щоб зрозуміти його метали та те, як вони працюють усередині ферменту. Команда застосувала рентгенівську спектроскопію, техніку, за якою вчені вивчають інтерференцію світла, яке поглинається металами, вивільняється та потім повертається назад до металів у комплексі (тут ACS), щоб ідентифікувати зміни хімічних зв’язків під час реакцій. .

Одним словом, вчені підтвердили свою давню гіпотезу.

«Ми виявили, що відбувається дуже заплутана частина металоорганічної хімії, де одна ділянка нікелю у ферменті робить усі цікаві речі», — сказав Рітімукта Сарангі, старший науковий співробітник SSRL та відповідний автор дослідження.

Команда дізналася, що хоча фермент містить кластер з двох нікелів, пов’язаних із чотирма атомами заліза та сірки кожен, реакція завжди відбувається на одному конкретному нікелі в кластері, сказав Стів Регсдейл, професор Мічиганського університету та автор відповіді. на дослідження. «Вуглеці, такі як монооксид вуглецю, метилова група та ацетилова група, усі зв’язуються з нікелем найближче до заліза та сірки, і дуже ясно, що вони не зв’язуються з жодним іншим металом».

Дослідники також помітили, що білок, що містить нікель, зазнає серйозних змін у своїй структурі в кожному з проміжних станів, сказав Рагсдейл. «Це те, що насправді не входило в нашу початкову гіпотезу. Ми просто думали про те, що основна хімія заснована на нікелі. Але потім ми бачимо всі ці інші зміни, які відбуваються в білку, що було трохи дивно».

Незважаючи на те, що дослідники мали чіткі уявлення про те, як працює реакція, побачити її в дії все одно було вражаюче, сказав Абернаті.

«Це така точна тонка настройка природи, щоб прийти до цієї елегантної системи, яка виконує цей каталіз», — сказав Сарангі. «Я просто люблю це та нашу можливість використовувати рентгенівську спектроскопію, яка є надзвичайно потужним інструментом для з’ясування того, що відбувається в природі. Ресурс структурної молекулярної біології SSRL має провідну у світі програму біологічної рентгенівської спектроскопії, яка дозволяє вивчення таких складних біологічних процесів».

Окрім високої оцінки природної краси самого шляху Вуда-Люнгдала, Рагсдейл висловив надію, що дослідження для кращого розуміння цих природних процесів і, можливо, посилення цих процесів, можуть призвести до методів пом’якшення зміни клімату та розвитку уловлювання вуглецю для виробництва хімічної сировини. і палива. «Я думаю, що спочатку ми повинні зрозуміти основну біохімію, що стоїть за процесом, — сказав він, — перш ніж ми зможемо досягти прогресу в покращенні деяких із цих шляхів, які існують у природі». Джерело