Открыт "электронный хайвей" для хранения водорода и углекислого газа в бактериях

В 2013 году команда микробиологов под руководством профессора Фолькера Мюллера из Университета Гёте во Франкфурте обнаружила у термофильной бактерии Thermoanaerobacter kivui необычный фермент — водород-зависимую CO₂ редуктазу (HDCR). Этот фермент напрямую производит муравьиную кислоту (формиат) из газообразного водорода (H₂) и углекислого газа (CO₂), передавая электроны от водорода к CO₂. HDCR стал первым известным ферментом, способным напрямую утилизировать водород, в отличие от других, которым для этого требуются растворимые клеточные переносчики электронов.

Фермент HDCR состоит из четырёх белковых модулей: один расщепляет водород, другой производит муравьиную кислоту, а два малых модуля содержат железо-серные кластеры. В 2016 году исследователи обнаружили, что фермент образует длинные филаменты (нити), что значительно стимулирует его активность.

Совместно с группой доктора Яна Шуллера из Марбургского университета учёные получили молекулярную структуру фермента с атомарным разрешением с помощью криоэлектронной микроскопии. Анализ показал, что филаменты формируются из двух малых субъединиц HDCR, которые выстраиваются в своеобразную "нанопроволоку" с тысячами проводящих электроны атомов железа. На этой "проволоке", как шляпки грибов на кабеле, расположены модули гидрогеназы и формиатдегидрогеназы.

Эксперименты с генетически модифицированным ферментом, неспособным формировать филаменты, подтвердили, что отдельные мономеры HDCR гораздо менее активны, чем нитевидная структура.

Криоэлектронная томография, проведённая группой профессора Бена Энгеля из Базельского университета, показала, что внутри бактериальных клеток филаменты HDCR объединяются в пучки, образуя кольцевидные суперструктуры ("порталы"). Эти пучки прикреплены к внутренней мембране клетки и простираются почти на всю её ширину.

Такая структура объясняет, почему HDCR на порядки эффективнее химических катализаторов и всех известных ферментов в производстве муравьиной кислоты — "жидкого органического носителя водорода". Формирование филаментов и их объединение в пучки не только увеличивает концентрацию фермента в клетке, но и позволяет "нанопроволоке" с атомами железа временно накапливать электроны от окисления водорода, что критически важно в условиях низкой и колеблющейся концентрации H₂ и CO₂ в естественной среде бактерий.

Остаются нерешённые вопросы: как именно "проволока" хранит электроны, почему образование филаментов так сильно стимулирует активность и как пучки закреплены в мембране. Однако открытие приближает возможность создания синтетических нанопроводов для улавливания CO₂ из атмосферы и разработки систем биологического хранения водорода.

Исследование опубликовано в журнале Nature.