Топливные элементы в бактериях

Обмен азота между атмосферой и органическим веществом имеет решающее значение для жизни на Земле, потому что азот является основным компонентом молекул, таких как белки и ДНК. Одним из основных путей такого обмена, обнаруженного только в 1990-х годах, является путь анаммокса, обнаруживаемый у некоторых бактерий.

Он проходит через гидразин, очень реактивное вещество, используемое людьми в качестве ракетного топлива. Исследователи из Института медицинских исследований им. Макса Планка в сотрудничестве с учеными из Института биофизики Макса Планка и Университета Радбуда в Нидерландах теперь описывают структуру фермента, выполняющего последний шаг в этом процессе: превращение гидразина в газообразный азот и высвобождении энергии.

Результаты, которые были опубликованы в журнале Science Advances, показывают беспрецедентную сеть групп гемов для обработки большого количества электронов, высвобождаемых во время химической конверсии. (Гемы — комплексные соединения порфиринов с двухвалентным железом, несущие один или два аксиальных лиганда. Гемы выступают в роли простетических групп белков — гемопротеинов.)

Биогеохимический азотный цикл

Азот в форме газообразного азота (N₂) составляет около 80 процентов нашей атмосферы, но в качестве элемента азот встречается в небольших количествах в земной коре. Тем не менее, все живые организмы нуждаются в азоте, потому что он является частью большинства их основных молекул.

Однако они не могут напрямую использовать атмосферный азот и требуют его в другой химической форме. Ряд бактерий осуществляют такие преобразования и вносят свой вклад в биохимический азотный цикл (на изображении), производя более реактивные формы азота.

В 1990-х годах ученые обнаружили бактериальный процесс, называемый анаэробным окислением аммония (анаммокс). «Теперь мы считаем, что на этот процесс приходится от 30 до 70 процентов ежегодного удаления азота из океанов», — объясняет Томас Барендс, руководитель группы MPI по медицинским исследованиям в Гейдельберге.

«Благодаря этой характеристике бактерии anammox используются для устойчивой очистки сточных вод во всем мире», — добавляет Корнелия Вельте из Университета Радбу. Во время этого процесса бактерии превращают нитриты и аммиак в динитроген (N₂) и воду, генерируя при этом энергию для клетки. Молекула гидразина производится на промежуточной стадии.

Гидразин является распространенным компонентом ракетного топлива, но его использование бактериями в качестве метаболического топлива довольно экзотично и удивительно для живых организмов из-за его высокой токсичности. До сих пор гидразин был обнаружен только в анаммоксе, а не в других бактериях. И до недавнего времени было мало известно о том, как эти бактерии используют энергию, выделяемую при превращении гидразина.

Ранее исследовательская группа описала структуры ферментов гидразин-синтазы и гидроксиламин-оксидоредуктазы. Исследователи теперь еще больше разгадывают загадку анаммокса, описывая кристаллическую структуру гидразин-дегидрогеназы, фермента, участвующего в превращении токсичного гидразина в безвредный газообразный азот. «Как использование гидразина, так и структура гидразин-дегидрогеназы совершенно уникальны, поэтому важно подробно раскрыть биологический процесс», — объясняют ученые.

«Можно сравнить комплекс HDH с топливным элементом с электрическими розетками, которые подходят только для вилок определенного типа», — говорит Томас Барендс, описывая структуру и механизм HDH. «Топливный» гидразин попадает в белковый комплекс через канал снаружи. Затем фермент катализирует превращение гидразина в газообразный азот через беспрецедентно большую сеть из 192 гемовых групп. Затем электроны переносятся в другие части бактерии — как передача тока потребителям электроэнергии. Эти потребители затем генерируют энергию клетки.

«Сейчас мы работаем над поиском белка, который поглощает электроны, хранящиеся в сети гемов», — говорит Мохд Акрам, первый автор статьи. От структуры, которую они наблюдали, они ожидают, что только небольшие белки могут войти в комплекс, захватить электроны в пустом пространстве внутри и снова уйти. Выбор того, какие белки могут получить доступ к электронам, может помочь обеспечить доставку электронов в нужное место, которое будет использоваться для выработки энергии в клетке.

M. Akram et al. A 192-heme electron transfer network in the hydrazine dehydrogenase complex, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aav4310