CODH/ACS-kristaller erhållna utan syre. Den bruna färgen kommer från de naturliga metaller som finns i proteinerna. Kredit:Max Planck Institutet för marin mikrobiologi/T. Wagner
Avfallsgaser från många industrigrenar innehåller främst kolmonoxid och koldioxid. Nu för tiden, dessa gaser blåser helt enkelt in i vår atmosfär, men detta kan snart ändras. Tanken är att använda bakteriernas kraft för att förvandla giftiga avgaser till värdefulla föreningar som acetat eller etanol. Dessa kan användas i efterhand som biobränslen eller basföreningar för syntetiska material. De första testanläggningarna i verklig storlek är redan under utvärdering, använda denna omvandling i industriell skala, och stjärnorna i dessa processer är bakterier som slukar kolmonoxid, koldioxid och diväte, bland vilka Clostridium autoethanogenum är överlägset favoriten.
"I den här mikroben, huvudlinjerna i metabolismen som används för att driva gasomvandlingen har karakteriserats, säger Tristan Wagner, ledare för gruppen Microbial Metabolism vid Max Planck Institute for Marine Microbiology. "Men det finns fortfarande många frågetecken på molekylär nivå." Den som är i fokus för forskarna från Bremen:Hur bearbetas den giftiga kolmonoxiden av enzymer med en sådan fantastisk effektivitet?
Stor överraskning i en kristall
Kunskapen på molekylär nivå om kolmonoxidomvandlingen härrör från studier utförda i arten Moorella thermoacetica. Detta är en bekväm och välstuderad marin modellorganism men uppvisar en dålig förmåga att avgifta avfallsgaser, till skillnad från Clostridium autoethanogenum. Båda bakterierna använder samma enzym för att omvandla kolmonoxid:CO-dehydrogenas/acetyl-CoA-syntas, förkortas som CODH/ACS. Det är ett mycket vanligt enzym som fanns redan under jordens urtid. "Eftersom båda arterna använder samma enzym för att omvandla kolmonoxid, vi förväntade oss att se exakt samma struktur med små skillnader, säger Wagner.
För sin forskning, Wagner och hans kollega Olivier N. Lemaire studerar bakterien Clostridium autoethanogenum för att förstå hur den kan frodas i livets termodynamik, använda en metabolism som liknar den hos de första levande formerna. Olivier N. Lemaire odlade bakterierna och renade dess CODH/ACS i frånvaro av syre, vilket är skadligt för enzymet. De två forskarna använde kristalliseringsmetoden för att erhålla kristaller av enzymet CODH/ACS och bestämma proteinets 3-D-struktur genom röntgenkristallografi. "När vi såg resultaten, vi trodde inte våra ögon, " säger Wagner. "CODH-ACS-gränssnittet från Clostridium autoethanogenum skiljer sig drastiskt från modellen av Moorella thermoacetica, även om det var samma enzym och liknande bakterier."
Grafik visar dubbelriktad CODH/ACS-komplex från C. autoethanogenum (CODH i orange och ACS i lila). Under kemolitoautotrofa förhållanden, enzymet kan omvandla koldioxiden (CO2) till kolmonoxid (CO), sekvestrerad i en gaskanal (överst). CO kommer att omvandlas till acetyl-CoA, byggstenen i cellen som används för att erhålla cellulär energi och bygga upp cellmaterialet. Under gasomvandlingsprocessen, den koldioxid som frigörs av industriell verksamhet kan användas mycket effektivt av CODH/ACS (botten). Det fångas upp av de många gaskanalerna och genererar acetyl-CoA och kemisk energi samtidigt, tillåter cellen att skapa ett liv av CO. Kredit:O. Lemaire och T. Wagner. Den icke-upphovsrättsskyddade bilden som användes erhölls från National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) och Pexel fotobibliotek (Black Smoker; NOAA Office of Ocean Exploration and Research, 2016 Djupvattensutforskning av Marianerna; Fabriksfotografering av Chris LeBoutillier
Samma ingredienser, annorlunda arkitektur
Efteråt, de två forskarna genomförde ytterligare experiment för att bevisa att den första strukturen inte var en artefakt utan den biologiska verkligheten. Följande experiment bekräftade den initiala modellen. Således, upptäckten bevisar helt klart fel det tidigare antagandet att enzymet CODH/ACS alltid har samma övergripande struktur. "Enzymet av Moorella thermoacetica har en linjär form, " förklarar Olivier N. Lemaire, första författare till studien, som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften BBA Bioenergetics . "I Moorella thermoacetica, enzymet producerar kolmonoxid i CODH och används i ACS. Mellan dem, den fångas och leds genom en förseglad gaskanal. ACS kommer slutligen att syntetisera acetyl-CoA, en byggsten som vidarebearbetas till acetat och etanol. Resten av cellen ser ingen kolmonoxid."
Men Clostridium autoethanogenum absorberar kolmonoxid direkt. "I Clostridium autoethanogenum har enzymet CODH/ACS inte bara en öppning, men flera. På så sätt kan den samla upp så mycket kolmonoxid som möjligt och leda den in i ett helt system av tunnlar, verkar i båda riktningarna, " säger Lemaire. "Dessa resultat visar en omblandning av interna gastunnlar under utvecklingen av dessa bakterier, antagligen leder till ett dubbelriktat komplex som säkerställer ett högt flöde av kolmonoxidomvandling mot energibesparing och assimilering av kolmonoxid, fungerar som det huvudsakliga cellulära kraftverket." I slutet av processen genereras även acetat och etanol, som kan användas för att producera bränsle.
"Vi har nu en bild av hur detta mycket effektiva och robusta enzym ser ut, " säger Tristan Wagner. "Men vår upptäckt är bara ett steg längre. Bland annat, det är fortfarande en öppen fråga hur bakterien kan överleva och använda kolmonoxid för att mata hela sitt cellulära energibehov. Vi har några hypoteser, men vi är fortfarande i början. För att förstå hela den kemiska processen att omvandla kolmonoxid till acetat och etanol, ytterligare proteiner behöver studeras."
