Впервые получены крио-ЭМ изображения нитрогеназы в действии

Исследователям из Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые удалось получить снимки нитрогеназы — единственного фермента, способного восстанавливать азот до аммиака, — в процессе катализа с разрешением, близким к атомарному. Для этого использовалась криогенная электронная микроскопия (крио-ЭМ). Результаты опубликованы в журнале Science.

Работа выполнена совместно группами профессора Акифа Тезкана, давно изучающего нитрогеназу, и доцента Марка Херзика, эксперта по крио-ЭМ.

"Это очень важный прорыв как в области биологической фиксации азота, так и в структурной биологии в целом. Возможность получить изображения такого динамичного и сложного фермента, как нитрогеназа, в действии с атомарным разрешением невероятно захватывает. Это открывает двери для полного понимания механизма работы этого загадочного фермента, который занимал исследователей десятилетиями", — заявил Тезкан.

Глобальная значимость фиксации азота

• Всем организмам необходимы "связанные" источники азота для биосинтеза белков и ДНК.
• Большинство живых существ не имеют нитрогеназы и не могут усваивать атмосферный азот.
• До появления более ста лет назад промышленного процесса Габера-Боша (превращение атмосферного азота в аммиак) нитрогеназа была практически единственным источником связанного азота в биосфере.
• Процесс Габера-Боша, обеспечивший "зелёную революцию", крайне энергозатратен (1–2% мировой энергии), требует температур выше 400°C и высокого давления, а также создаёт экологические проблемы.

Ключевой вопрос исследований: Как нитрогеназа катализирует восстановление азота при комнатной температуре и давлении, в то время как промышленный процесс требует экстремальных условий?

Технологический прорыв

• Метод рентгеновской кристаллографии, дающий атомарное разрешение, требует фиксации белка в кристалле и не может запечатлеть динамичный процесс катализа нитрогеназы.
• Крио-ЭМ позволяет получать структуры белков без кристаллизации, а благодаря последним достижениям — и с атомарным разрешением, необходимым для визуализации небольших изменений при катализе.

Ход эксперимента

Исследователи подготовили сотни образцов в анаэробной камере (нитрогеназа чувствительна к кислороду) и мгновенно заморозили их. Было собрано более 15 000 видео, запечатлевших свыше 20 миллионов отдельных молекул на разных стадиях катализа. На обработку нескольких терабайт данных ушёл почти год.

Результаты и перспективы

Получены первые атомарные изображения нитрогеназы в процессе работы. Крио-ЭМ структуры выявили несколько неожиданных особенностей фермента, ранее не наблюдавшихся в рентгеновских структурах, и дали новые гипотезы о механизме катализа.

"Это только начало. Теперь у нас есть картина всего фермента в действии, а не только одной его части. Это действительно откроет шлюзы для дальнейших исследований", — отметил Тезкан.

Понимание механизма нитрогеназы может привести к разработке более эффективных и экологичных способов производства аммиака.