В активном центре конверсии углекислого газа

Для преодоления климатического кризиса требуются две меры: сокращение выбросов CO₂ и удаление CO₂ из атмосферы Земли. Последнее — цель исследовательской группы Тобиаса Эрба в Институте микробиологии им. Макса Планка в Марбурге. Их подходы направлены не только на защиту климата, но и на обеспечение долгосрочной устойчивости: фильтрацию CO₂ из воздуха и его использование в технологиях.

Эффективно фильтровать CO₂ из воздуха может природа посредством фотосинтеза, превращая CO₂ в биомассу. В отличие от промышленных технологий, которым нужен высококонцентрированный газ, фотосинтез работает с воздухом, содержащим всего 0.4% CO₂. Его секрет — в ферментах, таких как RubisCO. Однако эффективность природного фотосинтеза невысока: более чем в четверти случаев RubisCO метаболизирует кислород, который является сильным конкурентом CO₂ в этой реакции.

Ферменты ECR быстрее и точнее RubisCO

Исследователи выбрали альтернативу RubisCO — ферменты Enoyl-CoA Carboxylase/Reductase (ECR). Они намного эффективнее и не ошибаются с кислородом. После многих лет работы ученым удалось создать в пробирке процесс, фиксирующий CO₂ лучше, чем это делает природа.

Чтобы понять причину высокой эффективности ECR, исследователи проанализировали фермент из бактерии Kitasatospora setae — самую быструю известную карбоксилазу. Используя структурную биологию, биохимию и компьютерное моделирование, они впервые поняли, как фермент связывает и преобразует CO₂.

Командная работа в активном центре

«Мы были удивлены, узнав, что для контроля над молекулой CO₂ достаточно всего четырех аминокислот», — объясняет Габриэле Штоффель, первый автор исследования. «Три аминокислоты — аспарагин, глутамат и гистидин — удерживают CO₂ с двух сторон. Еще одна аминокислота, фенилаланин, экранирует связанный CO₂ от воды, которая ингибировала бы реакцию».

Усиление способности фиксации CO₂

Эти открытия открывают новые пути. В другом исследовании Ирия Бернхардсгрюттер сосредоточилась на двух кандидатах для белкового каркаса: Propionyl-CoA synthase (PCS) и Archaeal Enoyl-CoA reductase (AER).

Оба фермента уже могли использовать CO₂, но с эффективностью всего около 5% и только с концентрированным CO₂. Вычислительные модели показали, что у этих ферментов были лишь некоторые из четырех необходимых аминокислот, и они были смещены. Замена аминокислот в PCS позволила повысить эффективность использования CO₂ до _{20%. Затем, заблокировав доступ воды к сайту связывания другой заменой аминокислоты, удалось достичь скорости карбоксилирования почти 95%. Аналогичные эксперименты с AER повысили эффективность конверсии CO}2~ почти до 90%.

Это знание точных требований к ферментам, фиксирующим CO₂, и его успешное применение приблизило исследование к высоким целям: эффективно фильтровать CO₂ из атмосферы и интегрировать его в устойчивое использование — к рециклингу ценных веществ по примеру природы.