Эффективная проводка: как метаногенные археи управляют электронами

Метаногенные археи используют сложные ферментные системы для жизни в бедных энергией бескислородных средах. Ключевой механизм экономии энергии — это разветвление электронов, реакция, которая «расщепляет» энергию пары электронов, делая один более сильным восстановителем за счёт другого. Исследователи из Институтов Макса Планка по наземной микробиологии (Марбург) и биофизике (Франкфурт-на-Майне) обнаружили у метаногенной археи массивный ферментный комплекс, который напрямую передаёт электроны от реакции разветвления к восстановлению и фиксации CO₂. Эти детальные данные об эффективных энергопреобразующих процессах могут открыть новые возможности для устойчивого биотехнологического развития.

Метаногенные археи успешно конкурируют, осуществляя метаногенез — один из заключительных этапов анаэробного разложения органических веществ, часто в экстремальных условиях. Большинство из них производят метан из диоксида углерода (CO₂) и газообразного водорода (H₂) через метаногенный цикл. В типичных средах обитания эта реакция высвобождает мало энергии, поэтому археям нужны высокоэффективные ферментные системы.

Особенно сложный этап цикла — это флавин-зависимое разветвление электронов (FBEB). Считалось, что археи передают высокоэнергетический электрон от этой реакции для фиксации CO₂ через небольшой белок-переносчик электронов ферредоксин, свободно диффундирующий в клетке.

Исследовательская группа показала, что такой переносчик не нужен для передачи электронов от FBEB к восстановлению CO₂. Учёные очистили ферментные комплексы, состоящие из формиатдегидрогеназы (Fdh), гетеродисульфидредуктазы (Hdr) и формилметанофурандегидрогеназы (Fmd) из метаногенной археи Methanospirillum hungatei.

Функцию комплексов охарактеризовали с помощью ферментных анализов, а структуры определили методом криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ). Структуры показали, что ферменты, катализирующие последний и первый шаги метаногенного цикла, образуют массивный комплекс, напрямую соединяя два этапа — FBEB, запускаемый формиатом, и восстановление CO₂ — без использования диффундирующего белка-переносчика ферредоксина.

«Наш структурный анализ выявил гигантский ферментный комплекс, — говорит ведущий автор Томохиро Ватанабэ. — Белок цепи переноса электронов, полиферредоксин, образует проводящий путь, который направляет высокоэнергетические электроны от FBEB прямо к восстановлению CO₂, минуя растворимый переносчик. Это означает меньше возможностей потерять эти ценные электроны».

Структурные сравнения и ранее опубликованные анализы взаимодействий позволяют предположить, что подобные надмолекулярные структуры комплексов Hdr и Fmd могут быть распространены у различных метаногенных архей. Структуры также дали новое представление о тонко настроенном механизме FBEB.

«Метод крио-ЭМ позволяет нам использовать классификацию изображений для определения структур различных конформационных состояний, присутствующих в одном образце, — объясняет автор-корреспондент Бонни Мерфи. — В данном случае мы обнаружили, что два разных конформационных состояния комплекса различаются большим поворотом части, которую мы называем "подвижным рычагом". Переключаясь между этими состояниями, комплекс контролирует поток электронов в сайт FBEB и из него».

Вместе эти результаты помогают понять, как энергетический метаболизм метаногенных архей тонко настроен на эффективность: за счёт контроля потока электронов в FBEB и из него и благодаря прямой передаче высокоэнергетических электронов для фиксации CO₂. Эти знания помогут в разработке стратегий по сокращению выбросов парниковых газов и могут позволить шире применять разветвление электронов в биотехнологии.

Исследование опубликовано в журнале Science.