میکروارگانیسم ها قادر به انجام برخی مواد شیمیایی خارق العاده هستند. یک مثال تثبیت نیتروژن است، فرآیندی که گاز نیتروژن (N2) به شکلی که موجودات زنده واقعاً می توانند از آن استفاده کنند. نیتروژن حدود 78 درصد جو زمین را تشکیل می دهد، اما گیاهان و حیوانات نمی توانند مستقیماً از آن استفاده کنند زیرا دو اتم نیتروژن در N2 توسط یک پیوند سه گانه شیمیایی بسیار قوی به هم متصل می شوند.
برخی از میکروارگانیسم ها راهی برای حل این مشکل ایجاد کرده اند. آنها می توانند این پیوند را بشکنند و N را تغییر دهند2 به آمونیاک، که سپس می تواند در مولکول های بیولوژیکی گنجانده شود. یکی از این موجودات، آرکئون در اعماق دریا است Methanocaldococcus infernus، که در یک محیط دریایی آتشفشانی زندگی می کند که در آن مایعات خروجی می توانند به دمای بالاتر از نقطه جوش آب برسند.
محققان آزمایشگاه تریستان واگنر در موسسه میکروبیولوژی دریایی ماکس پلانک در برمن می‌خواستند بفهمند که چگونه این ارگانیسم تثبیت نیتروژن را در چنین شرایط شدید انجام می‌دهد. آنها توانستند میکروب را در آزمایشگاه “رام کنند” و آن را برای تعمیر N2 در دمای بالای 90 درجه سانتیگراد
چگونه در چنین گرمایی این کار را انجام می دهند؟ و چگونه آنزیمی که N را می شکافد2 آیا پیوند سه گانه تحت این شرایط کار می کند؟” واگنر از خود پرسید.
آنزیمی که تثبیت نیتروژن را ممکن می کند
آنزیم کلیدی پشت این توانایی نیتروژناز است. حاوی چیزی است که پیچیده ترین متالکوفاکتور شناخته شده در زیست شناسی در نظر گرفته می شود. متالوکوفکتورها مولکول های کمکی حاوی فلز هستند که به آنزیم ها متصل می شوند و برای فعالیت آنها ضروری هستند.
گسترده ترین و موثرترین نیتروژنازها حاوی یک متالوکوفکتور مبتنی بر مولیبدن هستند. نسخه های دیگر به جای آن از وانادیوم یا فقط آهن استفاده می کنند. دانشمندان هنوز در تلاشند تا مشخص کنند این نیتروژنازهای مختلف چگونه به هم مرتبط هستند و دقیقاً چگونه مراکز فلزی آنها شکستن N بسیار قوی را ممکن می کند.2 باند سه گانه
نیتروژناز برای گرمای شدید طراحی شده است
نیتروژناز موجود در Methanocaldococcus infernus قابل توجه است زیرا به نظر می رسد ویژگی های اشکال مولیبدن، وانادیوم و آهن را دارد. این نوع نیتروژناز ممکن است شبیه به جد مشترک نیتروژناز باشد، سیستم باستانی که همه آنها از آن تکامل یافته اند. بنابراین، ممکن است اصول کلی در واکنش نیتروژناز ارائه شود.
این تیم با موفقیت نیتروژناز را مستقیماً از میکروارگانیسم جدا کردند و دریافتند که به طور غیرعادی در برابر گرما مقاوم است. پروتئین تنها در دمای 90 درجه سانتیگراد شروع به تجزیه می کند و برخی از آن حتی در دمای 98 درجه سانتیگراد دست نخورده باقی می مانند.
نویسنده اول Nevena Maslach از موسسه میکروبیولوژی دریایی Max Planck می گوید: «این ثابت می کند که این آنزیم برای عملکرد در شرایطی طراحی شده است که اکثر پروتئین ها به سرعت تجزیه می شوند، مانند سفیده تخم مرغ جوشانده شده در آب داغ. “در دمای اتاق فعال نیست. بلکه نشان می دهیم که فقط در دماهای بالا آمونیاک تولید می کند. پایداری شدید آن به ما این امکان را داده است که حالت‌های نیتروژناز را که معمولاً به سختی می‌توان به دست آورد، بررسی کرد.
نمای تقریباً اتمی نیتروژناز
محققان مجبور نبودند برای مطالعه دقیق این آنزیم به اعماق دریا بازگردند. در عوض، آنها فیزیولوژی میکروبی، تصفیه آنزیم طبیعی، بیوشیمی و زیست شناسی ساختاری را ترکیب کردند. هر مرحله باید تحت شرایط کاملاً بدون اکسیژن انجام می شد، زیرا اکسیژن می تواند به طور دائم به متالو فاکتورهای نیتروژناز آسیب برساند.
این تیم آنزیم را متبلور کردند و آن را در موسسه ساختاری زیست شناسی در گرنوبل، فرانسه مطالعه کردند. در آنجا، آنها از سنکروترون تأسیسات، یک شتاب دهنده ذرات دایره ای که اشعه ایکس قدرتمند تولید می کند، استفاده کردند.
این به آنها اجازه داد تا ساختار مولکولی آنزیم را با وضوح نزدیک به اتمی تعیین کنند. مشخص شد که نیتروژناز ساده‌ترین نمونه شناخته شده آنزیمی است که تاکنون مورد مطالعه قرار گرفته است و ویژگی‌های ساختاری هر سه خانواده اصلی نیتروژنازها: مولیبدن، وانادیم و آهن را به تنهایی ترکیب می‌کند.
این ترکیب از احتمال شباهت نیتروژنازهای باستانی به این آنزیم باستانی بیشتر از نیتروژنازهای موجود در باکتری های امروزی پشتیبانی می کند.
سپس محققان تصمیم گرفتند تا تأیید کنند که آنزیم حاوی یک متالوکوفکتور مولیبدن است.
واگنر می‌گوید: «جستجوی ما برای مولیبدن از نقطه‌نظر فنی بسیار چالش‌برانگیز بود و متخصصان سنکروترون را ملزم می‌کردند تا ابزار خود را به حد مطلق برسانند.
دانشمندان یک حالت مولکولی غیرمنتظره را ثبت کردند
اندازه‌گیری‌ها سیگنال مولیبدن مورد انتظار را تأیید کرد، اما شگفتی ایجاد کرد.
ما از دیدن حالتی که قبلاً مشاهده نشده بود در نیتروژناز حاوی مولیبدن شگفت زده شدیم!
محققان قبلاً این حالت به اصطلاح “گردش” را فقط در نیتروژنازهایی که فقط حاوی وانادیم و آهن بودند مشاهده کرده بودند. این شرایط ممکن است نشان دهنده یک مرحله میانی در واکنش باشد که N را تجزیه می کند2.
یافتن شرایط مشابه در یک آنزیم حاوی مولیبدن نشان می دهد که همه اشکال نیتروژناز ممکن است از یک مکانیسم اساسی مشترک برای تجزیه مولکول نیتروژن استفاده کنند.
از میکروب های اعماق دریا تا بیوتکنولوژی های آینده
درک تثبیت نیتروژن پیامدهایی بسیار فراتر از محیط های اعماق دریا دارد. میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن مانند M. infernus نیتروژن را به آمونیاک تبدیل می کنند، اما آنها همچنین نقش مهمی در چرخه کربن زمین دارند. چنین میکروارگانیسم هایی مسئول تولید نیمی از متان موجود در جو هستند.
در آینده، محققان به طور بالقوه می توانند این موجودات را به عنوان سیستم های بیولوژیکی برای تبدیل گازها به محصولات مفید از جمله متان و آمونیاک با هیدروژن سبز به عنوان منبع انرژی مورد بررسی قرار دهند.
و اگر روزی محصولات می توانستند نیتروژن را مستقیماً از N اتمسفر بدست آورند چه می شد2؟” واگنر حدس زد.
چنین پیشرفت هایی می تواند وابستگی کشاورزی به کودهای صنعتی را کاهش دهد. تولید کود از طریق فرآیند هابر-بوش به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد و با انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط است. استفاده بیش از حد از کودها همچنین می تواند منجر به اوتروفیکاسیون و سایر آسیب های زیست محیطی شود.
در حال حاضر، این مطالعه چیز اساسی‌تری را ارائه می‌کند: یک نمای مولکولی به روز شده از یکی از قابل توجه‌ترین واکنش‌های شیمیایی در زیست‌شناسی.
