Science Advances: Железную нитрогеназу будут использовать для фиксации CO₂

Нитрогеназы — важные ферменты на Земле, которые обеспечивают живые организмы биодоступным азотом в виде аммиака, NH₃. Некоторые из них могут преобразовывать CO₂ в углеводородные цепи. Это делает их интересными для биотехнологии.

Учёные из Марбурга под руководством Йоханнеса Ребеляйна исследовали нитрогеназы и выяснили, как они работают. Результаты исследования ставят под сомнение существующее понимание этих ферментов и подчёркивают их потенциал для устойчивого производства.

Азот — важный элемент для клеток, но в основном он встречается в виде газообразного N₂ и непригоден для них. Только нитрогеназы могут превращать N₂ в аммиак (NH₃), который клетки могут использовать.

Учёные из Института наземной микробиологии Макса Планка обнаружили, что некоторые нитрогеназы способны работать с CO₂, превращая его в метан, этилен, этан и муравьиную кислоту. Эти продукты можно использовать как источники энергии и промышленно важные химические вещества.

Чтобы обеспечить устойчивое производство без выбросов углекислого газа, учёные хотели узнать, насколько хорошо ферменты различают CO₂ и N₂, и могут ли микроорганизмы, растущие на N₂, снижать уровень CO₂.

Два изофермента

Исследователи изучили бактерию Rhodobacter capsulatus, которая содержит два фермента: молибденовую и железную нитрогеназы.

Железная нитрогеназа служит резервом на случай дефицита молибдена. Исследователи выделили оба фермента и с помощью биохимических тестов сравнили их способность восстанавливать CO₂. Они выяснили, что железная нитрогеназа в три раза эффективнее молибденовой и производит муравьиную кислоту и метан при обычных концентрациях углекислого газа.

Учёные выяснили, что молибден-нитрогеназа быстрее и точнее восстанавливает N₂, а Fe-нитрогеназа предпочитает CO₂.

Фредерик Шмидт, аспирант из лаборатории Йоханнеса Ребеляйна и соавтор исследования, считает, что низкая специфичность Fe-нитрогеназы может быть полезна для создания новых CO₂-редуктаз.

Широко распространенное восстановление CO₂ в природе

Низкая селективность оказалась не единственным сюрпризом.

Мы выяснили, какая доля электронов превращается в продукты. Оказалось, что метан и муравьиная кислота выделяются бактериями даже без дополнительного CO₂ в культуре. Бактерии получали его в процессе обмена веществ. Это позволяет предположить, что восстановление CO₂ с помощью нитрогеназы Fe широко распространено в природе.

Также это означает, что обмен одноуглеродных субстратов влияет на микробные сообщества в разных средах.

Работа ставит под сомнение традиционный взгляд на нитрогеназы как на ферменты, преобразующие азот.

Бактерии R. capsulatus, использующие световую энергию для стимулирования нитрогеназ к преобразованию CO₂, могут играть важную роль в воздействии на окружающую среду и переходе общества к устойчивой экономике замкнутого цикла, — говорит Йоханнес Ребеляйн.

Мы можем аккумулировать солнечную энергию в углеводородах, производимых нитрогеназой. В будущем мы хотим разработать железную нитрогеназу, чтобы использовать её для фиксации и утилизации CO₂.

14.08.2024