Вчені університету Гете розкривають, як функціонує найстаріший фермент клітинного дихання – відкриваючи шлях до потенційного видалення CO₂ з вихлопних газів. Тварини, рослини та багато інших живих організмів вдихають кисень, щоб «спалювати» (технічно: окиснювати) сполуки, такі як цукор, у CO₂ та воду, процес, під час якого виробляється молекула, багата енергією, АТФ. Клітини потребують АТФ для забезпечення життєво важливих реакцій.

Однак на ранніх етапах існування нашої планети атмосфера Землі ще не містила кисню. Проте дослідження стародавніх бактерій, які досі існують у безкисневих екосистемах, таких як гарячі джерела на дні океану, свідчать, що спеціальна форма дихання могла існувати навіть тоді.

Ці мікроорганізми «дихають» вуглекислим газом і воднем, перетворюючи їх на оцтову кислоту. Метаболічний шлях, яким вони це роблять, відомий вже деякий час. Питання, яке залишалося без відповіді до тепер, полягало в тому, як вони використовують цей процес для виробництва АТФ. Поточне дослідження тепер надає відповідь.

Комплекс Rnf Acetobacterium woodii

«Нам вдалося показати, що виробництво оцтової кислоти активує складний механізм, в рамках якого натрій-іони викидаються з бактеріальної клітини в навколишнє середовище», пояснює професор Волькер Мюллер, завідувач кафедри молекулярної мікробіології та біоенергетики університету Гете у Франкфурті. «Це зменшує концентрацію натрію всередині клітини, внаслідок чого оболонка клітини діє як дамба для іонів. Як тільки ця дамба відкривається, натрій-іони знову потрапляють у клітину, приводячи в рух своєрідну молекулярну турбіну, яка генерує АТФ.»

Фермент клітинного дихання, ізольований лише кілька років тому

Конгломерат різних білків, відомий як комплекс Rnf, відіграє ключову роль у цьому процесі. Ці білки в основному вбудовані в мембрану, що оточує бактеріальну клітину. «Комплекс настільки чутливий, що ми змогли ізолювати його лише кілька років тому», підкреслює Мюллер. Коли вуглекислий газ реагує з воднем, утворюючи оцтову кислоту, електрони передаються від водню до атома вуглецю через ряд проміжних кроків, у яких комплекс Rnf відіграє посередницьку роль: він поглинає і передає електрони.

У поточному дослідженні вчені показали, що саме відбувається під час цього процесу. Структурний біолог Ануй Кумар – аспірант як у групі Мюллера, так і у доктора Яна Шуллера з університету Марбурга – використав складний метод, відомий як кріоелектронна мікроскопія, у рамках якого очищений комплекс Rnf бактерії Acetobacterium woodii був «шоково заморожений», а потім нанесений на носій.

У процесі створюється тонка плівка льоду, яка містить мільйони комплексів Rnf, що можуть бути спостережені за допомогою електронного мікроскопа. Оскільки вони потрапляють на носій різними способами під час процесу крапель, можна побачити різні сторони їхніх структур під мікроскопом.

«Ці зображення можна об’єднати в тривимірне зображення, що дозволило нам точно вивчити структуру комплексу – особливо ті частини, які важливі для передачі електронів», пояснює Кумар. Аналіз зображень, зроблених у різні проміжки часу, показав, що індивідуальні компоненти комплексу не є статичними, а рухаються динамічно. Це дозволяє переносникам електронів долати більші відстані і передавати свій вантаж.

Основний новий механізм

Питання залишалося: як потік електронів викликає викид натрій-іонів? Молекулярна динамічна симуляція групи професора Вілле Кайли з університету Стокгольма дала попередню відповідь на це питання. Ключову роль відіграє кластер атомів заліза та сірки, розташований в середині мембрани, який після прийому електрона стає негативно зарядженим. «Позитивно заряджені натрій-іони зсередини клітини притягуються до цього кластера, наче до магніту», пояснює Дженніфер Рот, аспірантка в групі Мюллера. «Це притягування в свою чергу спричиняє зсув білків навколо залізо-сіркового кластера, наче важіль: вони створюють отвір, що веде до зовнішнього боку мембрани, через який натрій-іони знову викидаються.»

Рот змогла підтвердити цей процес, зробивши конкретні генетичні зміни у білках Rnf. Той факт, що цей принципово новий механізм вдалося розкрити, свідчить про успішну співпрацю трьох університетів. Ще цікавішим є те, що мікроорганізми мають здатність поглинати CO₂ з навколишнього середовища під час виробництва оцтової кислоти.

Ця здатність може бути використана для видалення парникових газів з промислових викидів, наприклад. Це може допомогти уповільнити зміну клімату, одночасно забезпечуючи цінні початкові матеріали для хімічної промисловості. «Як тільки ми зрозуміємо, як бактерії генерують енергію в цьому процесі, ми можемо оптимізувати цей процес таким чином, щоб виробляти ще більш якісні кінцеві продукти», сподівається Мюллер. Результати також можуть стати відправною точкою для створення нових ліків проти патогенів із подібними ферментами дихання.

portaltele.com.ua