Американские ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего определили структуру нитрогеназы — фермента, который фиксирует азот из воздуха и переводит его в аммиак. С помощью криоэлектронной микроскопии удалось запечатлеть структуру фермента в ходе каталитической реакции. Исследование опубликовано в журнале Science.
Нитрогеназа — это фермент, способный фиксировать атмосферный азот и переводить его в аммиак. Этот процесс очень важен для живых организмов, так как благодаря этому ферменту некоторые из них способны усваивать азот из воздуха. Более ста лет назад люди изобрели аналогичный промышленный метод получения аммиака из азота — процесс Габера. Получаемый в ходе такой каталитической реакции аммиак в основном используется для изготовления удобрений на основе нитратов. Из-за этого говорят, что процесс Габера ответственен за стремительный рост человеческой популяции за последний век, так как именно благодаря ему население Земли было обеспечено продовольствием. При этом процесс Габера имеет ряд минусов: он энергоемкий, протекает при сложных условиях (высокое давление, температура достигает 400 °С), получаемые в ходе реакции продукты (нитраты, оксиды азота) могут загрязнять окружающую среду. В связи с этим ученые ищут способы оптимизировать процесс, используя природные ферменты, так как нитрогеназа способна проводить ту же самую реакцию при нормальных условиях.
Для понимания механизма действия фермента важно знать его строение. Ранее структура нитрогеназы была определена с помощью рентгеновской дифракции. Однако в ходе этого метода фермент заключается в кристалл в статическом виде, поэтому полученные сведения не всегда дают полную картину. Американские исследователи обратились к другому современному методу — к криоэлектронной микроскопии. Этот способ позволяет определять структуру веществ в динамике с высоким разрешением, вплоть до атомов. Ученые получили сотни образцов нитрогеназы. Обращаться с ними надо было очень аккуратно, препятствуя их контакту с кислородом, так как фермент начинал разлагаться под его действием. В результате исследователи получили более 15 тысяч видео, на которых было запечатлено 20 млн отдельных молекул на разных стадиях каталитической реакции. Ученым понадобился почти год, чтобы обработать несколько терабайт данных: они избавлялись от изображений низкого качества, определяли и классифицировали частицы. В результате биологам удалось получить изображения динамической структуры нитрогеназы в высоком разрешении.
Полученные изображения позволят ученым получить лучшее представление о механизме действия нитрогеназы. Это, в свою очередь, поможет разработать более эффективные промышленные процессы для фиксации атмосферного азота.
«Это очень важное достижение с точки зрения биологической фиксации азота, а также структурной биологии в целом. Возможность получить изображения с разрешением на атомном уровне такого динамичного и сложного фермента, как нитрогеназа, в действии чрезвычайно увлекательна. Это открывает двери для полного понимания механизма этого загадочного фермента, который десятилетиями занимал исследователей», — прокомментировал Акиф Тезкан из Калифорнийского университета в Сан-Диего, один из авторов исследования.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
