Новый взгляд на биохимическое производство метана

Источник: phys.org

Биологические источники метана весьма обширны, но при его синтезе должно соблюдаться одно важное условие — отсутствие кислорода. Археобактерии производят мощный парниковый газ на рисовых полях, в болотах и в желудках коров. Команда исследователей Института Макса Планка (Германия) выяснила новые данные о микробиологическом процессе, изучив структуру фермента FRH. Энзим относится к группе гидрогеназ и отвечает за расщепление молекул водорода, для дальнейшего соединения с углекислым газом (что в конечном итоге приводит к образованию метана). Детальное представление о структуре и функционировании гидрогеназы может помочь в разработке синтетических катализаторов для производства водорода. Ученые исследовали протеин с помощью криоэлектронной микроскопии. Энзимы были заморожены в тонком слое льда, что привело к обездвиживанию биополимеров. Затем, используя электронный микроскоп, ученые сфотографировали множество изображений белков в различных ракурсах. Наконец, все образы были сведены воедино для расчета трехмерной структуры комплекса.

Как сообщила участник исследования Джанет Вонк, фермент FRH образован большими тетраэдрическими комплексами. Три различных компонента создают единое функциональное целое, и двенадцать триммеров в совокупности образуют макромолекулу. Пока не понятно, почему двенадцать триммеров объединяют свои усилия. Как отмечает другой участник проекта Сейго Шима, теоретически химическая реакция возможна и с одним из триммеров. Ученые также определили участок связывания кофермента F420, принимающего участие в процессе производства метана. Реакция происходит в несколько этапов. В начале FRH толкает электроны к коферменту F420, который делает их доступными для других реакций. Фермент относится к категории никель-железных гидрогеназ, и фактически реакция протекает в активных центрах, состоящих из никеля и железа.

До сегодняшнего дня была известна структура ферментов только одной из пяти групп никель-железных гидрогеназ. На основе анализа структуры FRH исследователи предсказали детали строения другой группы этих биокатализаторов. Ученые планируют узнать больше о структуре и функционировании гидрогеназ, так как это позволит лучше оценить влияние производимого археобактериями метана на климат планеты. Кроме того, новая информация может представлять интерес для промышленности. Реакции, в которых гидрогеназы расщепляют молекулы водорода на протоны и электроны, могут быть обращены вспять, для получения водорода в технических системах, использующих энергию солнечного света. Наиболее эффективные гидрогеназы, существующие в природе, не являются достаточно стабильными и очень чувствительны к присутствию кислорода. Понимание связи между структурой фермента и его функциями позволит оптимизировать биокатализатор и сделать его более устойчивым.