Учёные получили почти атомное изображение фермента, который позволяет глубоководной архее Methanocaldococcus infernus связывать атмосферный азот при температуре выше 90 °C. Исследование провела лаборатория Тристана Вагнера из Института морской микробиологии Общества Макса Планка в Бремене. Результаты помогают понять, как живые организмы разрывают исключительно прочную тройную связь в молекуле N2.
Азот составляет около 78% атмосферы Земли, однако растения и животные не могут использовать его непосредственно. Некоторые микроорганизмы превращают N2 в аммиак, который затем включается в состав биологических молекул. M. infernus обитает в вулканических районах глубокого моря, где температура гидротермальных потоков может превышать точку кипения воды.
Исследователям удалось адаптировать этот микроорганизм к лабораторным условиям и выделить его нитрогеназу — фермент, отвечающий за фиксацию азота. Белок начал разрушаться только при 90 °C, а часть его структуры сохранилась даже при 98 °C. «Это доказывает, что фермент приспособлен к работе в условиях, в которых большинство белков быстро распадается, подобно яичному белку, сваренному в горячей воде», — сказала первый автор работы Невена Маслач из Института морской микробиологии Общества Макса Планка.
Нитрогеназы содержат сложные металлосодержащие кофакторы, необходимые для их активности. Наиболее изученные варианты используют молибден, другие — ванадий или только железо. Нитрогеназа M. infernus сочетает признаки всех трёх групп, поэтому может напоминать общего древнего предка этих ферментов, считает Вагнер.
Для изучения структуры белок кристаллизовали в Институте структурной биологии в Гренобле, Франция. Работы проводили в условиях полного отсутствия кислорода, поскольку он способен необратимо повреждать металлосодержащие кофакторы нитрогеназы. С помощью синхротрона — кольцевого ускорителя частиц, создающего мощное рентгеновское излучение, — учёные определили строение фермента с почти атомным разрешением.
Исследование подтвердило наличие молибденового кофактора, но одновременно выявило ранее не наблюдавшееся для молибденовой нитрогеназы состояние. Такой «оборотный» этап прежде фиксировали только у ванадиевых и железных вариантов и, вероятно, он связан с промежуточной стадией расщепления N2. По данным, опубликованным ScienceDaily, это указывает на возможный общий механизм работы всех основных типов нитрогеназы. Понимание процесса может иметь значение для биотехнологий, поскольку в перспективе микроорганизмы способны использоваться для получения аммиака и метана из газов с применением экологичного водорода, а также помочь снизить зависимость сельского хозяйства от энергоёмкого производства удобрений по методу Габера — Боша.