Открыт механизм работы древнейшего фермента клеточного дыхания — это может помочь в удалении CO₂
Животные, растения и многие другие организмы вдыхают кислород, чтобы «сжигать» (окислять) соединения вроде сахара до CO2 и воды — в этом процессе производится богатая энергией молекула АТФ. Клеткам нужен АТФ для жизненно важных реакций. Однако на раннем этапе существования нашей планеты в атмосфере Земли ещё не было кислорода.
Исследования древних бактерий, которые до сих пор встречаются в бескислородных экосистемах (например, в горячих источниках на дне океана), показывают, что особая форма дыхания могла существовать уже тогда.
Эти микроорганизмы «дышат», превращая углекислый газ и водород в уксусную кислоту. Метаболический путь, с помощью которого они это делают, был известен. Оставался неясным вопрос, как они используют этот процесс для производства АТФ.
Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, даёт ответ. «Мы смогли показать, что само производство уксусной кислоты активирует сложный механизм, в ходе которого ионы натрия выкачиваются из бактериальной клетки в окружающую среду», — объясняет профессор Фолькер Мюллер, заведующий кафедрой молекулярной микробиологии и биоэнергетики Университета Гёте во Франкфурте.
«Это снижает концентрацию натрия внутри клетки, при этом клеточная оболочка действует как своего рода плотина для ионов. Как только эта плотина открывается, ионы натрия устремляются обратно в клетку, приводя в движение своего рода молекулярную турбину, которая генерирует АТФ».
Фермент клеточного дыхания, выделенный всего несколько лет назад
Ключевую роль в этом процессе играет конгломерат различных белков, известный как Rnf-комплекс. Эти белки в основном встроены в мембрану, окружающую бактериальную клетку. «Комплекс настолько чувствителен, что нам удалось выделить его всего несколько лет назад», — подчёркивает Мюллер.
Когда углекислый газ реагирует с водородом с образованием уксусной кислоты, электроны переносятся от водорода к атому углерода через ряд промежуточных этапов, в которых Rnf-комплекс играет посредническую роль: он принимает и передаёт электроны.
В текущем исследовании учёные показали, что именно происходит в этом процессе. Структурный биолог Анудж Кумар — аспирант в исследовательских группах Мюллера и доктора Яна Шуллера в Университете Марбурга — использовал сложный метод криоэлектронной микроскопии. Очищенный Rnf-комплекс бактерии Acetobacterium woodii «шоково замораживали», а затем наносили на несущую пластину.
При этом создаётся тонкая плёнка льда, содержащая миллионы Rnf-комплексов, которые можно наблюдать с помощью электронного микроскопа. Поскольку они падают на пластину по-разному, можно увидеть их разные стороны.
«Эти изображения можно объединить в трёхмерное, что даёт нам точное представление о структуре комплекса — особенно тех его частях, которые важны для переноса электронов», — объясняет Кумар. Анализ изображений, сделанных с разными интервалами, показывает, что отдельные компоненты комплекса не статичны, а динамично движутся. Это позволяет переносчикам электронов преодолевать большие расстояния и передавать свой «груз».
Принципиально новый механизм
Оставался вопрос: как поток электронов приводит к оттоку ионов натрия? Первоначальный ответ дало моделирование молекулярной динамики рабочей группой профессора Вилле Кайлы в Стокгольмском университете. Ключевую роль играет кластер атомов железа и серы, расположенный в середине мембраны, который после захвата электрона становится отрицательно заряженным.
«Положительно заряженные ионы натрия изнутри клетки притягиваются к этому кластеру, как к магниту», — объясняет Дженнифер Рот, докторант в исследовательской группе Мюллера. «Это притяжение, в свою очередь, заставляет белки вокруг железосерного кластера смещаться, подобно переключателю-качалке: они создают отверстие, ведущее наружу мембраны, через которое ионы натрия снова высвобождаются».
Рот смогла подтвердить этот процесс, внеся специфические генетические изменения в белки Rnf. То, что этот принципиально новый механизм удалось выяснить, свидетельствует об успешном сотрудничестве трёх университетов.
Результаты становятся ещё более интересными из-за способности микроорганизмов поглощать CO2 из окружающей среды в процессе производства уксусной кислоты. Эту способность потенциально можно использовать для удаления парниковых газов из промышленных выбросов. Это может помочь замедлить изменение климата, одновременно предоставляя ценные исходные материалы для химической промышленности.
«Как только мы узнаем, как бактерии генерируют энергию в этом процессе, мы сможем оптимизировать его так, чтобы производить ещё более качественные конечные продукты», — надеется Мюллер. Полученные данные также могут дать отправные точки для новых лекарств против патогенов с похожими дыхательными ферментами.