Järn-vanadin (FeV)-kofaktorn i vanadinberoende nitrogenas fick reagera med kolmonoxid (CO) och gasades sedan under tryck, tillåter två molekyler av substratet att visualiseras i bunden form. FeV-kofaktor är en av de största och mest komplexa metallcentra i proteiner som för närvarande är kända. Den består av sju järnjoner (grå), 9 svaveljoner (gula), ett centralt kol (svart), och en vanadinjon (grön), och bär även en karbonatjon och en molekyl av homocitrat som organiska ligander. Kredit:Oliver Einsle
Genom den biologiska fixeringen av grundämnet kväve av enzymet nitrogenas, organismer får tillgång till molekylärt kväve (N 2 ) i jordens atmosfär, som är avgörande för att bygga cellulära strukturer. Dessutom, en vanadinberoende variant av nitrogenas kan reducera den giftiga gasen kolmonoxid (CO) till kolväten. Dessa minskningar av N 2 och CO är bland de viktigaste processerna inom industriell kemi, eftersom de används för att producera både konstgödsel och syntetiska bränslen. Dock, forskare har ännu inte kunnat tyda de olika reaktionsvägarna för de två reaktionerna.
Dr. Michael Rohde från Prof. Dr. Oliver Einsles team vid Institute of Biochemistry vid University of Freiburg, i samarbete med två forskargrupper vid Freie Universität Berlin, har nu kunnat visa hur det aktiva stället för det vanadinberoende nitrogenaset kan binda två CO-molekyler samtidigt, därigenom skapas grunden för att kombinera de rumsligt intilliggande kolatomerna hos båda molekylerna i en reduktiv process. Forskarna presenterade nyligen sina resultat i tidskriften Vetenskapens framsteg .
De industriella minskningarna av N 2 och CO – känd som Haber-Bosch- och Fischer-Tropsch-processerna, - kräver höga temperaturer och tryck. Medan N 2 minskning leder till den biotillgängliga produkten ammonium (NH 4 + ), minst två kolatomer kombineras under omvandlingen av CO. Den dominerande reaktionsprodukten är eten (eten, C 2 H 4 ), en färglös gas som spelar en viktig roll inte bara i bränslen utan även i produktionen av plast. Även om klyvningen av en N-N-bindning vid kvävefixering är kemiskt ganska fundamentalt annorlunda än bildningen av en C-C-bindning vid CO-reduktion, forskare misstänkte tidigare att nitrogenas använder samma grundläggande mekanistiska principer för båda reaktionerna.
I ett tidigare arbete, teamet ledd av Rohde och Einsle använde nitrogenas för att reagera med CO-gas, vilket resulterar i den specifika bindningen av en enda molekyl. I deras nuvarande studie, som bygger på detta arbete, forskarna visar att de gasade kristaller av detta första tillstånd med CO under tryck och sedan utsatte dem för röntgenkristallografisk analys. Detta gjorde det möjligt för dem att direkt observera hur en andra CO-molekyl binder. "Formen av nitrogenas som erhålls på detta sätt, med två CO-molekyler på det aktiva stället, representerar förmodligen ett blockerat tillstånd, Rohde förklarar, "men det ger direkta ledtrådar till mekanismen för enzymet." Som ett resultat, Einsles team kan nu beskriva en detaljerad mekanism för CO-reduktion genom nitrogenas.
