Криоэлектронная микроскопия позволяет детально изучать сложные ферментативные процессы. Благодаря этому методу исследовательской группе из Университета Потсдама и Университета Гумбольдта в Берлине удалось подробно охарактеризовать комплекс ферментов CODH/ACS.
Они обнаружили, что комплекс перемещается в ходе химических реакций и таким образом определяет последовательность реакций. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Catalysis.
Анаэробная фиксация углерода
До начала фотосинтеза в истории Земли и накопления кислорода в атмосфере здесь жили анаэробные микроорганизмы, которым не нужен кислород для обмена веществ. Анаэробная фиксация углерода считается одним из древнейших и наиболее эффективных процессов своего вида, а также играет центральную роль в современных экосистемах — например, в вулканических болотах или в животном пищеварительном тракте.
Комплекс ферментов CO-дегидрогеназа-ацетил-КоА-синтаза (CODH/ACS), необходимый для этого процесса, сохраняется в микроорганизмах более 3,5 миллиардов лет.
Катализ
Катализ, то есть ускорение химических процессов в CODH/ACS, основан на различных никель-железных металлических кластерах, которые преобразуют углекислый газ в важную биомолекулу ацетил-КоА в несколько этапов реакции. Эффективность этой реакции делает CODH/ACS перспективным кандидатом на роль фермента для производства биотоплива из углекислого газа.
Применение криоэлектронной микроскопии
Исследователи из Университета Потсдама и Университета Гумбольдта в Берлине впервые использовали криоэлектронную микроскопию высокого разрешения (cryo-EM) для выяснения каталитического цикла CODH/ACS. Cryo-EM имеет широкий спектр применения и может использоваться для структурного анализа различных ферментов и биополимеров.
«Наши крио-ЭМ карты шести промежуточных состояний CODH/ACS настолько высокоразрешающие, что молекулы, связанные с металлическим центром, можно чётко соотнести с движениями белка», — говорит Якоб Руйкольдт, первый автор исследования.
«Различные состояния связывания CODH/ACS ещё не были исследованы с помощью cryo-EM», — говорит Петра Вендлер.
«Используя этот метод, мы обнаружили, как связывание различных молекул подготавливает активный центр к следующему шагу реакции и таким образом предотвращает побочные реакции и потерю ценных промежуточных продуктов реакции. Эти знания помогут использовать катализ древнего ферментного комплекса для биотехнологической фиксации углерода», — говорится в исследовании.
Предоставлено Университетом Потсдама.