Подарок от микробов

                              

Разбираем мир микробиологии по кусочкам


Подарок от микробов

Давайте перенесемся на 3 миллиарда лет назад. Скорее всего, какие-то организмы будут заняты перевариванием своего ужина. Другие же, веселятся в болотах первобытного супа, одновременно с этим играя с ферментами и открывая для себя что значит быть живыми. Простыми словами, 3 миллиарда лет назад творился хаос и беспредел, и никто не знал что происходит…даже сами организмы.

Первобытный суп подан! Источник изображения: GoChile

Давайте углубимся в эту историю. Для выживания организмам требуется молекулярный азот, так как он позволяет им производить белки и ДНК. Самый “вкусный” способ получения азота (аммиака) – удар молнии, но, к сожалению, такое случается не так часто, как хотелось бы. В самом пессимистичном варианте, организмы поедают себе подобных, что временно удовлетворяет азотную жажду. Как правило, какая-то героическая форма жизни случайно образует фермент, который “поедает” газообразный азот (который присутствует в таком избытке, что его хватает абсолютно всем!). Микробы, затем, передают этот ген друг другу, что напоминает передачу подарков, в процессе, известном как горизонтальный перенос генов. В итоге, план по превращению случайной последовательности ДНК в фермент принес пользу не только микробному сообществу, но и всему миру на долгие века. Сцены голода и каннибализма существенно уменьшились. Доступность азота открыла путь для развития многоклеточных, эукариотических, и человеческих форм жизни.

Перенесемся в 1880 г., когда немецкий химик Герман Хеллригель осознал важность фиксации азота для жизни. Благодаря его исследованиям, ученые узнали о ферменте нитрогеназа, который активирует преобразование газообразного азота в аммиак. Используя дар нитрогеназы в почве, люди смогли более эффективно выращивать пищу.

Герман Хеллригель (1831-1895), немецкий химик 

Спустя много лет, ученые обнаружили нечто загадочное в ферментах нитрогеназы. Немецкие исследователи Oehlmann и Rebelein продемонстрировали, что фермент обладает множеством других полезных “даров”. Помимо восстановления азота, фермент катализирует различные химические реакции. Авторы исследования создали отдельную таблицу, в которой они перечислили реакции, выполняемые данным ферментом, и оказалось, что список далек от завершения.

Эксперименты над свойствами фермента показали магию, которая скрыта во вращающемся химическом стержне из железа и серы. Любая молекула с подходящими пропорциями может присоединиться к нитрогеназе, и выйти уже полностью трансформированной.

Нитрогеназа помогает в производстве большого количества продуктов с помощью вращающейся оси. Изображение создано с помощью BioRender.

Самой интересной и одной из самых старых реакций, которую выполняет эта машина является сокращение углекислого газа CO2. Эта реакция производит такие продукты как метан, этан, и пропан – слова, связанные с производством топлива и вполне вам знакомые. Благодаря возможности к сокращению CO2 и производству возобновляемого топлива за один шаг, нитрогеназа, в действительности, является эволюционным подарком!


Oehlmann, N.N. and Rebelein, J.G. (2021), The Conversion of Carbon Monoxide and Carbon Dioxide by Nitrogenases. ChemBioChem. https://doi.org/10.1002/cbic.202100453

Featured image: created with Biorender.com


Перевод был сделан Марией Мартыновой