Ученые подтвердили, что никель играет ключевую роль в древней химической реакции


Фото из открытых источников
Углекислый газ (CO 2) является наиболее распространенным парниковым газом, вызывающим изменение климата, но он существовал на Земле задолго до того, как люди начали выбрасывать его в атмосферу в беспрецедентных количествах. Таким образом, некоторые из самых ранних организмов планеты эволюционировали, чтобы использовать этот газ, который в противном случае вреден для людей и планеты.
 
Один из этих процессов, называемый путем Вуда-Льюнгдала, происходит только в отсутствие кислорода и считается наиболее эффективным путем фиксации углерода в природе. Но как именно путь переходит от одного шага к другому, остается неясным.
 
Теперь ученые из Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Мичиганского университета, Северо-Западного университета и Университета Карнеги-Меллона обнаружили ранее неизвестные внутренние механизмы пути Вуда-Льюнгдала.
 
Их результаты, опубликованные в журнале Американского химического общества в прошлом месяце, не только проливают свет на одну из старейших химических реакций на Земле, но также могут привести к усовершенствованию методов улавливания углерода для усилий по смягчению последствий изменения климата.
 
«До этого исследования мы знали, что для того, чтобы путь Вуда-Льюнгдала генерировал углерод для использования организмами, он начинается с углекислого газа», — сказал Мейкон Абернати, научный сотрудник SSRL и соавтор исследования. «Затем он превращает CO 2 в монооксид углерода и метильную группу и с помощью какой-то химической магии объединяет их в форму углерода, которую организм может использовать».
 
В течение многих лет ученые постулировали, что этот путь осуществляется через ряд металлоорганических промежуточных соединений на основе никеля, которые образуют связи металл-углерод. В частности, исследователи сосредоточили внимание на комплексе из двух никель-железо-серных белков, называемых СО-дегидрогеназой и ацетил-КоА-синтазой (CODH/ACS), которые являются основными ферментами, катализирующими превращение углекислого газа в энергию и структурный углерод для построения клеточные стенки и белки.
 
Но подтвердить эту гипотезу оказалось непросто, поскольку ферментный комплекс необходимо очищать в атмосфере с недостатком кислорода, как на ранней Земле 4 миллиарда лет назад, когда появились эти белки и этот путь. Кроме того, промежуточные соединения часто нестабильны, и реакция может быстро стать неактивной. Кроме того, наличие других атомов никеля и железа в составе ХОДГ мешает исследованию АХС, являющемуся целью настоящего исследования.
 
Чтобы обойти эти проблемы, исследователи разработали более активную версию белка, содержащую только ACS — без CODH — и использовали рентгеновские лучи в SSRL, чтобы понять содержащиеся в нем металлы и то, как они работают внутри фермента. Команда применила рентгеновскую спектроскопию, метод, с помощью которого ученые изучают интерференцию света, который поглощается, испускается и затем отражается от металлов в комплексе — здесь ACS — для выявления изменений химических связей по мере протекания реакций. Одним словом, ученые подтвердили свою давнюю гипотезу.
 
«Мы обнаружили, что существует очень сложная часть металлоорганической химии, в которой один участок никеля в ферменте делает все самое интересное», — сказал Ритимукта Саранджи, старший научный сотрудник SSRL и соавтор исследования.
 
Команда выяснила, что, хотя фермент имеет кластер из двух никелей, связанных с четырьмя атомами железа и серы, реакция всегда происходит на одном конкретном никеле внутри кластера, сказал Стив Рэгсдейл, профессор Мичиганского университета и автор соответствующей статьи. на учебе. «Углерод, такой как монооксид углерода, метильная группа и ацетильная группа, все связываются с никелем, ближайшим к железу и сере, и совершенно ясно, что они не связываются ни с одним из других металлов».
 
Исследователи также заметили, что никельсодержащий белок претерпевает серьезные изменения в своей структуре в каждом из промежуточных состояний, сказал Рэгсдейл. «Это то, что на самом деле не было частью нашей первоначальной гипотезы. Мы просто думали о том, что основная химия основана на никеле. Но затем мы видим все эти другие изменения, которые происходят в белке, что было немного удивительно».
 
По словам Абернати, хотя у исследователей были серьезные представления о том, как работает эта реакция, они, тем не менее, впечатляли ее в действии.
 
«Это такая точная тонкая настройка природы, чтобы прийти к этой элегантной системе, которая осуществляет этот катализ», — сказал Саранджи. «Мне просто нравится это, а также наша способность использовать рентгеновскую спектроскопию, которая является чрезвычайно мощным инструментом для выяснения того, что происходит в природе. Ресурс структурной молекулярной биологии SSRL имеет ведущую в мире программу биологической рентгеновской спектроскопии, которая позволяет изучение таких сложных биологических процессов».
 
Помимо своей признательности за природную красоту самого пути Вуда-Льюнгдала, Рэгсдейл выразил надежду, что исследования, направленные на лучшее понимание этих природных процессов и, возможно, усиление этих процессов, могут привести к методам смягчения последствий изменения климата и разработки улавливания углерода для производства химического сырья и топлива. «Я думаю, что мы должны сначала понять основы биохимии, лежащие в основе этого процесса, — сказал он, — прежде чем мы сможем добиться прогресса в улучшении некоторых из этих путей, существующих в природе».