Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне обнаружили важные новые ключи к разгадке того, как древний фермент может превращать атмосферный углерод в биомолекулы. Этот естественный процесс может помочь в разработке новых методов преобразования парниковых газов, таких как углекислый газ, в полезные химические вещества.
Борьба с дисбалансом газов в атмосфере
Поскольку вырубка лесов и использование ископаемого топлива приводят к повышению уровня атмосферных газов, таких как углекислый газ (CO₂), многие учёные обратились к древней биологии в поисках решений для борьбы с дисбалансом этих газов в атмосфере. С самого начала жизни на Земле микроскопические организмы научились преобразовывать атмосферный углекислый газ (CO₂) и угарный газ (CO) в полезные биомолекулы.
Роль древних ферментов
Эти организмы используют специализированные биологические катализаторы, или ферменты, чтобы «фиксировать» эти газы в молекулярных строительных блоках. Учёных особенно интересует, как один специальный Ni-содержащий древний фермент — ацетил-КоА-синтаза (ACS) — поглощает углекислый газ и угарный газ и преобразует их в ацетил-КоА, ключевую биомолекулу, которая метаболизирует сахара, липиды и белки внутри клеток.
Этот процесс называется путём Вуд-Лундгаля (WLP), и ACS катализирует заключительный этап этого набора биохимических реакций. Но как именно работает этот фермент, остаётся загадкой для учёных, несмотря на десятилетия изучения фермента.
Прорыв в понимании механизма фермента
В исследовании под руководством профессора химии Иллинойского университета Ливию Мирики и аспиранта Шунака Ната исследователи создали синтетическую функциональную модель, которая имитирует ACS и позволяет подробно изучить механизм действия фермента.
В ходе исследования были выявлены четыре ключевых механизма, подробно описанные в недавно опубликованной статье в журнале Nature Communications. Исследователи изучили большинство металлоорганических промежуточных соединений, включая очень редкий никелевый промежуточный продукт Ni(methyl)(CO).
Новый подход к улавливанию углерода
Мирика и Нат объяснили, что ключом к успеху их синтетической модели является специальный лиганд под названием iPr₃tacn (1,4,7-триизопропил-1,4,7-триазациклононан), который образует вокруг атома никеля своего рода «клетку» и замедляет скорость реакции настолько, что лабильные промежуточные соединения можно наблюдать напрямую. Это также позволяет некоторым реакциям протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, что позволило исследователям охарактеризовать кинетические и термодинамические параметры, связанные с молекулярными превращениями.
Исследователи заявили, что эта работа может стать ключом к созданию учёными новых и улучшенных катализаторов для улавливания углекислого газа и угарного газа из воздуха в полезные молекулы. Понимая все шаги и промежуточные соединения ACS, учёные могут разработать синтетические катализаторы, которые выполняют те же преобразования, что и ACS, используя никель — металл, которого на Земле много.
Нат провёл это исследование в течение трёх лет и представил свою работу на 6-м симпозиуме по передовой биологической неорганической химии (SABIC-2024) в Калькутте, Индия. Нат сказал, что получил положительные отзывы от биохимиков, которые десятилетиями искали ответы на механизм действия ACS.