Белок, защищающий биологическую фиксацию азота от окислительного стресса, может снизить зависимость от синтетических удобрений

Белок-сенсор кислорода защищает ферментативный аппарат биологической фиксации азота от серьёзных повреждений. Его использование в биотехнологии может помочь сократить применение синтетических удобрений в сельском хозяйстве.

Исследовательская группа под руководством биохимика профессора Оливера Айнсле из Факультета химии и фармации и Центра исследований биологической сигнализации (BIOSS) Фрайбургского университета с помощью новой криоэлектронной микроскопии во Фрайбурге выяснила, как именно работает так называемый белок Шетны II. Их исследование опубликовано в журнале Nature.

Азотные удобрения экологически проблематичны

Элемент азот — важнейший компонент всех живых организмов; в сельском хозяйстве его часто добавляют в виде удобрений для обеспечения высоких урожаев в долгосрочной перспективе. Однако производство и применение этих удобрений проблематично с точки зрения энергозатрат и экологии.

Поэтому в течение многих лет предпринимаются попытки перенести естественную фиксацию азота у бактерий и архей на сельскохозяйственные культуры. За связывание азота отвечает фермент нитрогеназа. Одна из самых серьёзных проблем при переносе в растения заключается в том, что нитрогеназа чрезвычайно чувствительна к атмосферному кислороду, который сами растения производят в процессе фотосинтеза.

Белок Шетны II образует комплекс с ферментом нитрогеназой

Филипп Франке, Симон Фрайбергер и доктор Лин Чжан из команды профессора Оливера Айнсле смогли показать, как небольшой фактор — белок Шетны II — регистрирует повышение концентрации кислорода. Затем он очень быстро образует комплекс с двумя компонентами фермента нитрогеназы, защищая их от окислительного повреждения.

В этом процессе активированный белок Шетны II связывает гораздо более крупную нитрогеназу и связанную с ней редуктазу, образуя длинные филаменты с обоими белками, в которых кислород не может достичь активных центров нитрогеназы. Как только клетки преодолевают этот окислительный стресс, комплекс распадается, и фермент может возобновить свою работу.

Использование в растительных клетках представляется возможным

Даже если нитрогеназа будет производиться непосредственно в растительных клетках, вероятно, такие короткие стрессовые фазы с повышенными концентрациями кислорода будут возникать снова и снова. В случае биотехнологического применения совместное производство небольшого белка Шетны II могло бы помочь защитить сложно синтезированные ферменты в их новой среде и сохранить их функцию в растительной клетке.

«Производство функционирующей нитрогеназы в растениях ознаменовало бы смену парадигмы в зелёной биотехнологии, и этот небольшой белок может внести решающий вклад в то, чтобы сделать это возможным», — говорит Айнсле.