Неиспользуемый резервуар азота

Гуанидин — одно из наиболее богатых азотом соединений. Он может быть ценным источником органического азота, но лишь немногие организмы способны его усваивать. Однако некоторые бактерии получают азот из гуанидина. Исследовательская группа из Констанца под руководством химика профессора Йорга Хартига и биолога профессора Ольги Маянс обнаружила, как это происходит. Ключевую роль играет недавно открытый фермент — и, что удивительно, никель. Результаты исследования опубликованы 9 марта 2022 года в научном журнале Nature.

Без азота нет роста

Азот — важный компонент всех живых организмов, и без его усвоения рост невозможен. Хотя почти 80% атмосферы составляет азот, подавляющее большинство форм жизни не могут использовать этот резерв. Они зависят от химически связанного азота, который поэтому является ключевым компонентом удобрений. Однако там, где азота недостаточно, растения и многие микроорганизмы быстро достигают своих пределов.

В природе существуют почти неиспользуемые запасы азота: гуанидин — широко распространённое богатое азотом соединение, отличающееся особенно высокой химической стабильностью. Из-за этой стабильности организмам почти невозможно получить жизненно важный азот из гуанидина: они не могут, так сказать, «расколоть орех». Таким образом, многие организмы находятся в пределах досягаемости обильного источника азота — и всё же не могут его использовать.

Сеть исследователей из Констанца под руководством химика профессора Йорга Хартига и биолога профессора Ольги Маянс идентифицировала биохимический механизм, который позволяет некоторым микроорганизмам извлекать азот из гуанидина. В средах, бедных нитратами, это даёт решающее преимущество перед организмами-конкурентами.

Как работает «добыча» азота

Цианобактерии, также известные как сине-зелёные водоросли, используют фермент из семейства аргиназ для инициации разложения гуанидина путём гидролиза. Гидролиз изначально означает лишь расщепление химического соединения водой. Однако в случае гуанидина одного контакта с водой недостаточно: «Если гуанидин погрузить в воду, сотни тысячелетий практически ничего не произойдёт — потому что недостаточно энергии для атаки на это соединение», — говорит биолог доктор Дитмар Функ из Констанца.

Поэтому воду сначала необходимо «активировать», чтобы она стала химически более активной и смогла расщепить гуанидин. Это достигается путём связывания с ионами никеля. Тот факт, что в качестве катализатора используется именно никель, стал неожиданностью для исследовательской группы. «Никель особенный. Никель сложный. Очень быстро у вас оказывается либо слишком мало, либо слишком много», — описывает Йорг Хартиг: «У нас, людей, больше нет никель-зависимых ферментов в организме, потому что организму слишком сложно обеспечить правильное количество».

Тем не менее, бактерии целенаправленно прибегают к сложному никелю для инициации гидролиза. «Работа с никелем — тоже нетривиальная задача для бактерий», — объясняет биохимик доктор Мальте Зинн, — «им нужны два вспомогательных фермента, чтобы включить никель в фермент». Вода, «активированная» ионами никеля в активном центре фермента, атакует гуанидин и превращает его в аммиак и мочевину. Мочевина, в свою очередь, может быть преобразована в аммиак другими ферментами. Оба соединения могут впоследствии использоваться в качестве источников азота, делая азот доступным для построения новых биомолекул.

Структурные изображения

Исследовательская группа Ольги Маянс провела структурный анализ, чтобы изучить процесс на молекулярном уровне. Высокая специфичность процесса стала ещё одной неожиданностью. Структурные изображения показывают, насколько точно фермент заключает свой субстрат гуанидин. «У него очень красивая структура, поразительно симметричная. Активный сайт очень мал и идеально подходит для удержания маленькой молекулы гуанидина в правильном положении для гидролиза», — объясняет биолог доктор Дженнифер Флеминг из исследовательской группы Ольги Маянс.

Для исследовательской группы текущие результаты — первый шаг к более детальному пониманию природного гуанидина: как он образуется, какие функции выполняет в природе и какие другие организмы могут его использовать. Несмотря на широкое распространение, гуанидин по-прежнему остаётся белым пятном на биохимической карте.