«У этого микроба были охарактеризованы основные линии метаболизма, используемые для преобразования газа», – говорит Тристан Вагнер, руководитель группы «Микробный метаболизм» Института морской микробиологии им. Макса Планка. "Но на молекулярном уровне все еще остается много вопросов."В центре внимания ученых из Бремена: как токсичный угарный газ перерабатывается ферментами с такой потрясающей эффективностью?
Большой сюрприз в кристалле
Знания о превращении окиси углерода на молекулярном уровне получены в результате исследований, проведенных на видах Moorella thermoacetica. Это удобный и хорошо изученный морской модельный организм, но он демонстрирует плохую способность детоксифицировать отходящие газы, в отличие от Clostridium autoethanogenum. Обе бактерии используют один и тот же фермент для преобразования окиси углерода: CO-дегидрогеназа / ацетил-CoA-синтаза, сокращенно CODH / ACS. Это очень распространенный фермент, который существовал еще в первобытные времена на Земле. «Поскольку оба вида используют один и тот же фермент для преобразования окиси углерода, мы ожидали увидеть точно такую же структуру с небольшими различиями», – говорит Вагнер.
За свои исследования Вагнер и его коллега Оливье Н. Лемер изучает бактерию Clostridium autoethanogenum, чтобы понять, как она может процветать в термодинамике жизни, используя метаболизм, подобный метаболизму первых живых форм. Оливье Н. Лемер выращивал бактерии и очищал их CODH / ACS в отсутствие кислорода, который вреден для фермента.
Два ученых использовали метод кристаллизации для получения кристаллов фермента CODH / ACS и определения 3D-структуры белка с помощью рентгеновской кристаллографии. «Когда мы увидели результаты, мы не поверили своим глазам», – говорит Вагнер. «Интерфейс CODH-ACS из Clostridium autoethanogenum резко отличается от модели Moorella thermoacetica, хотя это был тот же фермент и похожие бактерии."
Те же ингредиенты, другая архитектура
Впоследствии два исследователя провели дальнейшие эксперименты, чтобы доказать, что первая структура была не артефактом, а биологической реальностью. Следующие эксперименты подтвердили первоначальную модель. Таким образом, открытие однозначно опровергает предыдущее предположение о том, что фермент CODH / ACS всегда имеет одинаковую общую структуру. «Фермент Moorella thermoacetica имеет линейную форму», – объясняет Оливье Н. Лемер, первый автор исследования, недавно опубликованного в научном журнале BBA Bioenergetics. «У Moorella thermoacetica фермент производит окись углерода в CODH и используется в ACS.
Между ними он улавливается и проходит через герметичный газовый канал. ACS в конечном итоге будет синтезировать ацетил-КоА, строительный блок, который далее перерабатывается в ацетат и этанол. Остальная часть ячейки не видит окиси углерода."
Но Clostridium autoethanogenum непосредственно поглощает окись углерода. «У Clostridium autoethanogenum фермент CODH / ACS имеет не только одно отверстие, но и несколько.
Таким образом, он может собрать как можно больше окиси углерода и направить его в целую систему туннелей, действующих в обоих направлениях », – говорит Лемэр. "Эти результаты показывают перестановку внутренних газовых туннелей во время эволюции этих бактерий, что предположительно ведет к двунаправленному комплексу, который обеспечивает высокий поток преобразования моноксида углерода в сторону сохранения энергии и ассимиляции моноксида углерода, выступая в качестве основной клеточной электростанции.«В конце процесса также образуются ацетат и этанол, которые можно использовать для производства топлива.
«Теперь у нас есть представление о том, как выглядит этот очень эффективный и надежный фермент», – говорит Тристан Вагнер. "Но наше открытие – всего лишь шаг вперед.
Среди прочего, все еще остается открытым вопрос, как бактерия может выжить и использовать окись углерода для удовлетворения своих потребностей в энергии всех клеток. У нас есть некоторые гипотезы, но мы все еще в начале. Чтобы понять весь химический процесс превращения окиси углерода в ацетат и этанол, необходимо изучить дополнительные белки."