Bakterie, som människor och djur, måste äta. Ibland, de konsumerar en förorening i miljön som människor vill bli av med, en process som kallas bioremediering. Att undersöka enzymerna som används av bakterier för att utföra den processen är viktigt för forskare att förstå och eventuellt förbättra dessa kraftfulla reaktioner. Dock, tills nu, att ha en ögonblicksbild av ett av dessa viktiga enzymer i aktion har gäckat vetenskapen.
I en publikation i tidskriften Natur släpptes idag (27 mars, 2017), forskare från avdelningen för biokemi och avdelningen för kemi vid University of Wisconsin-Madison har löst strukturen hos ett enzym som fångas på att angripa toluen – en kemikalie som härrör från trä och olja.
"I denna forskning, vi försöker förstå hur naturen använder järnatomer, elektroner, och syrgas från luften för att selektivt oxidera kemikalier, " säger biokemiprofessor och ordförande Brian Fox. "Denna reaktion är det första steget i en process där kolatomerna i toluen, kallas en aromatisk ring, är förberedda för konsumtion av bakterier."
Denna reaktion utspelar sig på atomnivå, i ett spel med elektron- och atomöverföring. Den aktiva platsen för det stora enzymet innehåller två järnatomer som också lagrar upp till två elektroner. Dessa reagerar med syrgas för att kombinera och "attackera" den aromatiska ringen av toluen, med elektroner som utbyts längs vägen. I sista hand, en syreatom läggs till toluenringen, öppna dörren för andra reaktioner som används av bakterierna för att konsumera toluen.
Den mest tillfredsställande informationen som avslöjas av kombinationen av kristallstrukturer och kvantkemiska beräkningar utförda i denna studie, Fox säger, gäller beskaffenheten hos den järn-syre-mellanprodukt som angriper den aromatiska ringen. Forskare antog i allmänhet att det skulle krävas en extremt reaktiv järn-syreart för att utföra denna reaktion. Men vad Fox och hans team fann var att en mindre reaktiv form faktiskt kunde användas.
"De mest reaktiva mellanprodukterna, tidigare trott vara en del av denna reaktion, skulle också vara ospecifikt, " förklarar kemiprofessor Thomas Brunold. "Med det mellanliggande, det skulle finnas en risk för enzymet att attackera allt som finns i närheten, inklusive sig själv. Om naturen kunde undvika detta genom att bilda en mindre reaktiv, men fortfarande tillräckligt potent mellanliggande, det kan undvika många oönskade bireaktioner. Det var vad Brian trodde hände och det var precis vad han fann."
Brunold tillägger att förståelsen av detta enzyms reaktion kan vara till hjälp för många syntetiska kemister. När de designar nya molekyler och vägar, dessa kemister tar ofta tips från en stor lärare – naturen själv. Kemister har nu kunskap för att bättre efterlikna hur detta enzym fungerar för att göra nya katalysatorer som är mer specifika för olika tillämpningar.
När bakterier utför denna omvandling av toluen, de startar en process som snabbt tar bort den från miljön. På det här sättet, bakteriell bioremediering kan ta bort skadliga ämnen från miljön, något forskare redan utnyttjar för att hjälpa ekosystem att återhämta sig från kemiska katastrofer som oljeutsläpp. Andra forskare undersöker hur man omdirigerar reaktiviteten hos detta enzym för att syntetisera nya kemikalier.
"Brett, dessa typer av naturliga reaktioner är miljövänliga och billiga, " säger Brunold. "Inom industrin, forskare utför ofta utmanande reaktioner med komplexa kemikalier under svåra förhållanden, vilket kan resultera i mycket avfall och energianvändning. Att undersöka hur enzymer som det vi studerade katalyserar deras reaktioner kan hjälpa till att hitta mer effektiva sätt att utföra dessa utmanande reaktioner."
För studien, forskarna kunde stoppa reaktionen halvvägs och skapa en bild av exakt hur enzymet fungerar. I ett visserligen udda men effektivt tillvägagångssätt, forskarna tog en kristall av enzymet och doppade det i toluen. De exponerade det sedan för luft, låter syremolekyler börja reaktionen. Till sist, de frös kristallen, sakta ner reaktionen vid exakt rätt tidpunkt för att fånga upp mellanprodukten innan den kunde reagera ytterligare.
"Det är verkligen viktigt att känna till den här strukturen, " säger Fox. "Att ha det ger oss en unik titt på hur denna reaktion äger rum. Vi hittade något oväntat, och det ger nya vägar till upptäckt och framtida tillämpning."
