Växter förlitar sig på en process som kallas kolfixering - förvandlar koldioxid från luften till kolrika biomolekyler - för själva existensen. Det är hela poängen med fotosyntesen och en hörnsten i det enorma sammankopplade systemet som cirkulerar kol genom växter, djur, mikrober och atmosfären för att upprätthålla liv på jorden.

Men kolfixerande mästare är inte växter, utan jordbakterier. Vissa bakteriella enzymer genomför ett nyckelsteg i kolfixering 20 gånger snabbare än växtenzymer, och att ta reda på hur de gör detta kan hjälpa forskare att utveckla former av artificiell fotosyntes för att omvandla växthusgasen till bränslen, gödningsmedel, antibiotika och andra produkter.

Nu har ett team av forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Tyskland, DOE:s Joint Genome Institute (JGI) och University of Concepción i Chile upptäckt hur ett bakteriellt enzym - ett molekylärt maskin som underlättar kemiska reaktioner—varv upp för att utföra denna bedrift.

Istället för att ta tag i koldioxidmolekyler och fästa dem till biomolekyler en i taget, fann de, att detta enzym består av par av molekyler som arbetar i synk, som händerna på en jonglör som samtidigt kastar och fångar bollar, för att få jobbet gjort snabbare . En medlem av varje enzympar öppnar sig brett för att fånga upp en uppsättning reaktionsingredienser medan den andra stängs över sina infångade ingredienser och utför den kolfixerande reaktionen; sedan byter de roller i en kontinuerlig cykel.

En enda fläck av molekylärt "lim" håller ihop varje par enzymatiska händer så att de kan alternera öppning och stängning på ett koordinerat sätt, upptäckte teamet, medan en vridande rörelse hjälper till att pressa ingredienser och färdiga produkter in och ut ur fickorna där reaktionerna äga rum. När både lim och twist är närvarande går den kolfixerande reaktionen 100 gånger snabbare än utan dem.

"Detta bakteriella enzym är det mest effektiva kolfixeringsmedlet som vi känner till, och vi kom fram till en snygg förklaring av vad det kan göra", säger Soichi Wakatsuki, professor vid SLAC och Stanford och en av de högre ledarna för studien. som publicerades i ACS Central Science denna vecka.

"Några av enzymerna i den här familjen verkar långsamt men på ett mycket specifikt sätt för att bara producera en produkt", sa han. "Andra är mycket snabbare och kan tillverka kemiska byggstenar för alla möjliga produkter. Nu när vi känner till mekanismen kan vi konstruera enzymer som kombinerar de bästa egenskaperna hos båda metoderna och gör ett mycket snabbt jobb med alla möjliga utgångsmaterial."

Förbättring av naturen

Enzymet som teamet studerade är en del av en familj som kallas enoyl-CoA-karboxylaser/reduktaser, eller ECR. Det kommer från jordbakterier som kallas Kitasatospora setae, som förutom sina kolfixerande färdigheter också kan producera antibiotika.

Wakatsuki hörde talas om denna enzymfamilj för ett halvdussin år sedan från Tobias Erb från Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Tyskland och Yasuo Yoshikuni från JGI. Erbs forskargrupp hade arbetat med att utveckla bioreaktorer för artificiell fotosyntes för att omvandla koldioxid (CO₂ ) från atmosfären till alla möjliga produkter.

Lika viktigt som fotosyntes är för livet på jorden, sa Erb, det är inte särskilt effektivt. Liksom alla saker som formats av eonernas evolution, är det bara så bra som det behöver vara, resultatet av att man sakta bygger vidare på tidigare utveckling men aldrig uppfinner något helt nytt från grunden.

Vad mer är, sa han, steget i naturlig fotosyntes som fixar CO₂ från luften, som förlitar sig på ett enzym som heter Rubisco, är en flaskhals som blockerar hela kedjan av fotosyntetiska reaktioner. Så att använda snabba ECR-enzymer för att utföra detta steg, och konstruera dem för att gå ännu snabbare, kan ge en stor ökning av effektiviteten.

"Vi försöker inte göra en kopia av fotosyntesen," förklarade Erb. "Vi vill designa en process som är mycket effektivare genom att använda vår förståelse av ingenjörskonst för att återuppbygga naturens begrepp. Denna 'fotosyntes 2.0' kan äga rum i levande eller syntetiska system som konstgjorda kloroplaster - vattendroppar suspenderade i olja."

Porträtt av ett enzym

Wakatsuki och hans grupp hade undersökt ett relaterat system, kvävefixering, som omvandlar kvävgas från atmosfären till föreningar som levande varelser behöver. Intresserad av frågan om varför ECR-enzymer var så snabba började han samarbeta med Erbs grupp för att hitta svar.

Hasan DeMirci, en forskarassistent i Wakatsukis grupp som nu är biträdande professor vid Koc University och utredare vid Stanford PULSE Institute, ledde insatsen på SLAC med hjälp av ett halvdussin SLAC sommarpraktikanter som han handlede. "Vi tränar sex eller sju av dem varje år, och de var orädda", sa han. "De kom med öppna sinnen, redo att lära sig, och de gjorde fantastiska saker."

SLAC-teamet gjorde prover av ECR-enzymet och kristalliserade dem för undersökning med röntgenstrålar vid Advanced Photon Source vid DOE:s Argonne National Laboratory. Röntgenstrålningen avslöjade enzymets molekylära struktur – arrangemanget av dess atomära byggnadsställningar – både på egen hand och när det var fäst vid en liten hjälpmolekyl som underlättar dess arbete.

Ytterligare röntgenstudier vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) visade hur enzymets struktur skiftade när det fästes på ett substrat, en sorts molekylär arbetsbänk som sätter ihop ingredienser för kolfixeringsreaktionen och stimulerar reaktionen.

Slutligen genomförde ett team av forskare från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) mer detaljerade studier av enzymet och dess substrat vid Japans SACLA röntgenfri elektronlaser. Valet av en röntgenlaser var viktigt eftersom det gjorde det möjligt för dem att studera enzymets beteende vid rumstemperatur – närmare dess naturliga miljö – nästan utan strålningsskador.

Samtidigt har Erbs grupp i Tyskland och docent Esteban Vöhringer-Martinez grupp vid University of Concepción i Chile utfört detaljerade biokemiska studier och omfattande dynamiska simuleringar för att förstå de strukturella data som samlats in av Wakatsuki och hans team.

Simuleringarna avslöjade att öppningen och stängningen av enzymets två delar inte bara involverar molekylärt lim, utan också vridningsrörelser runt varje enzympars centrala axel, sa Wakatsuki.

"Denna twist är nästan som en racket som kan trycka ut en färdig produkt eller dra en ny uppsättning ingredienser i fickan där reaktionen äger rum", sa han. Tillsammans tillåter vridningen och synkroniseringen av enzymparen dem att fixera kol 100 gånger i sekunden.

ECR-enzymfamiljen inkluderar också en mer mångsidig gren som kan interagera med många olika typer av biomolekyler för att producera en mängd olika produkter. Men eftersom de inte hålls samman av molekylärt lim, kan de inte koordinera sina rörelser och fungerar därför mycket långsammare.

"Om vi ​​kan öka hastigheten för dessa sofistikerade reaktioner för att skapa nya biomolekyler," sa Wakatsuki, "det skulle vara ett betydande hopp i fältet."

Från statiska bilder till flytande filmer

Hittills har experimenten producerat statiska ögonblicksbilder av enzymet, reaktionsingredienserna och slutprodukterna i olika konfigurationer.

"Vårt drömexperiment," sa Wakatsuki, "skulle vara att kombinera alla ingredienser när de flödar in i röntgenlaserstrålens väg så att vi kunde se reaktionen ske i realtid."

Teamet försökte faktiskt det på SACLA, sa han, men det fungerade inte. "CO₂ molekyler är riktigt små och de rör sig så snabbt att det är svårt att fånga ögonblicket när de fäster vid substratet", sa han. "Pluss är röntgenlaserstrålen så stark att vi inte kunde behålla ingredienserna i den länge. tillräckligt för att reaktionen ska äga rum. När vi tryckte hårt för att göra detta lyckades vi bryta kristallerna."

En kommande högenergiuppgradering till LCLS kommer sannolikt att lösa det problemet, tillade han, med pulser som kommer mycket oftare – en miljon gånger per sekund – och kan anpassas individuellt till den idealiska styrkan för varje prov.

Wakatsuki sa att hans team fortsätter att samarbeta med Erbs grupp, och det arbetar med LCLS provleveransgruppen och med forskare vid SLAC-Stanfords kryogenelektronmikroskopi (cryo-EM) anläggningar för att hitta ett sätt att få detta tillvägagångssätt att fungera.