Как почвенная бактерия может ускорить искусственный фотосинтез
Почвенные бактерии — чемпионы по фиксации углерода. Некоторые бактериальные ферменты выполняют ключевой этап этого процесса в 20 раз быстрее, чем растительные ферменты. Понимание этого механизма может помочь в разработке систем искусственного фотосинтеза для превращения CO2 в топливо, удобрения, антибиотики и другие продукты.
Международная группа исследователей выяснила, как бактериальный фермент из семейства ECR (enoyl-CoA carboxylases/reductases) достигает такой скорости. Фермент происходит из почвенных бактерий Kitasatospora setae.
Механизм работы: синхронные "руки жонглёра"
Исследователи обнаружили, что фермент состоит из пар молекул, работающих синхронно:
- Одна "рука" пары широко открывается, чтобы захватить набор ингредиентов для реакции.
- Вторая "рука" в это время закрывается над своими захваченными ингредиентами и проводит реакцию фиксации углерода.
- Затем они меняются ролями в непрерывном цикле.
Ключевую роль играют два элемента:
- Молекулярный "клей" — удерживает пару ферментативных "рук" вместе, позволяя им координированно открываться и закрываться.
- Скручивающее движение — помогает быстро вводить ингредиенты и выводить готовые продукты из "карманов", где идут реакции.
Когда присутствуют и "клей", и "скручивание", реакция фиксации углерода идёт в 100 раз быстрее, чем без них. Фермент фиксирует углерод с частотой 100 раз в секунду.
"Этот бактериальный фермент — самый эффективный фиксатор углерода из известных нам, и мы нашли изящное объяснение тому, что он может делать", — говорит Сойчи Вакацуки, профессор SLAC и Стэнфорда.
Цель: "Фотосинтез 2.0"
Естественный фотосинтез не очень эффективен. Этап, катализируемый ферментом Rubisco, является "узким местом". Использование быстрых ферментов ECR для этого шага может значительно повысить эффективность.
"Мы не пытаемся сделать копию фотосинтеза. Мы хотим спроектировать гораздо более эффективный процесс, используя наши инженерные знания, чтобы перестроить концепции природы", — объясняет Тобиас Эрб из Института микробиологии им. Макса Планка.
Цель — создать "фотосинтез 2.0", который может протекать в живых или синтетических системах, например, в искусственных хлоропластах.
Методы исследования
Учёные использовали комплексный подход:
- Рентгеноструктурный анализ на источниках синхротронного излучения (Advanced Photon Source, SSRL) для определения молекулярной структуры фермента.
- Рентгеновский лазер на свободных электронах (SACLA) для изучения фермента при комнатной температуре с минимальными радиационными повреждениями.
- Биохимические исследования и детальное компьютерное моделирование для интерпретации структурных данных.
Перспективы и будущие эксперименты
Сейчас эксперименты дают статические "снимки" процесса. Следующая цель — наблюдать реакцию в реальном времени с помощью рентгеновских лазеров, например, после предстоящего апгрейда LCLS, который позволит регулировать интенсивность импульсов.
"Если мы сможем увеличить скорость этих сложных реакций для создания новых биомолекул, это станет значительным скачком в этой области", — отмечает Вакацуки.