Kväve, ett element som är viktigt för alla levande celler, utgör cirka 78 procent av jordens atmosfär. Dock, de flesta organismer kan inte använda detta kväve förrän det omvandlas till ammoniak. Tills människor uppfann industriella processer för ammoniaksyntes, nästan all ammoniak på planeten genererades av mikrober som använde nitrogenaser, de enda enzymerna som kan bryta kväve-kvävebindningen som finns i gasformigt kväve, eller N2.

Dessa enzymer innehåller kluster av metall- och svavelatomer som hjälper till att utföra denna kritiska reaktion, men mekanismen för hur de gör det är inte väl förstådd. För första gången, MIT-kemister har nu bestämt strukturen för ett komplex som bildas när N2 binder till dessa kluster, och de upptäckte att klustren kan försvaga kväve-kvävebindningen i en överraskande utsträckning.

"Denna studie gör det möjligt för oss att få insikter i mekanismen som gör att du kan aktivera denna riktigt inerta molekyl, som har ett mycket starkt band som är svårt att bryta, säger Daniel Suess, klassen '48 Karriärutveckling biträdande professor i kemi vid MIT och senior författare av studien.

Alex McSkimming, en tidigare MIT postdoc som nu är biträdande professor vid Tulane University, är huvudförfattare till tidningen, som visas idag i Naturkemi .

Kvävefixering

Kväve är en kritisk komponent i proteiner, DNA, och andra biologiska molekyler. För att extrahera kväve ur atmosfären, tidiga mikrober utvecklade nitrogenaser, som omvandlar kvävgas till ammoniak (NH3) genom en process som kallas kvävefixering. Celler kan sedan använda denna ammoniak för att bygga mer komplexa kvävehaltiga föreningar.

"Förmågan att få tillgång till fixerat kväve i stor skala har varit avgörande för att möjliggöra spridning av liv, " Suess säger. "Dinitrogen har ett riktigt starkt band och är verkligen oreaktivt, så kemister anser i grunden att det är en inert molekyl. Det är ett pussel som livet måste ta reda på:hur man omvandlar denna inerta molekyl till användbara kemiska arter."

Alla nitrogenaser innehåller ett kluster av järn- och svavelatomer, och några av dem inkluderar även molybden. Dinitrogen antas binda till dessa kluster för att initiera omvandlingen till ammoniak. Dock, arten av denna interaktion är oklar, och tills nu, forskare hade inte kunnat karakterisera N2-bindning till ett järn-svavelkluster.

För att belysa hur nitrogenaser binder N2, kemister har utformat enklare versioner av järn-svavelkluster som de kan använda för att modellera de naturligt förekommande klustren. Det mest aktiva nitrogenaset använder ett järn-svavelkluster med sju järnatomer, nio svavelatomer, en molybdenatom, och en kolatom. För denna studie, MIT-teamet skapade en som har tre järnatomer, fyra svavelatomer, en molybdenatom, och inget kol.

En utmaning i att försöka efterlikna den naturliga bindningen av dikväve till järn-svavelklustret är att när klustren är i en lösning, de kan reagera med sig själva istället för att binda substrat som dikväve. För att övervinna det, Suess och hans elever skapade en skyddande miljö runt klustret genom att fästa kemiska grupper som kallas ligander.

Forskarna fäste en ligand till var och en av metallatomerna utom en järnatom, det är där N2 binder till klustret. Dessa ligander förhindrar oönskade reaktioner och tillåter dikväve att komma in i klustret och binda till en av järnatomerna. När denna bindning väl inträffade, forskarna kunde bestämma strukturen av komplexet med hjälp av röntgenkristallografi och andra tekniker.

De fann också att trippelbindningen mellan de två kväveatomerna i N2 är försvagad i en överraskande utsträckning. Denna försvagning inträffar när järnatomerna överför mycket av sin elektrontäthet till kväve-kvävebindningen, vilket gör bindningen mycket mindre stabil.

Klustersamarbete

En annan överraskande upptäckt var att alla metallatomer i klustret bidrar till denna elektronöverföring, not only the iron atom to which the dinitrogen is bound.

"That suggests that these clusters can electronically cooperate to activate this inert bond, " Suess says. "The nitrogen-nitrogen bond can be weakened by iron atoms that wouldn't otherwise weaken it. Because they're in a cluster, they can do it cooperatively."

The researchers' findings also confirmed that simpler versions of the iron-sulfur cluster, such as those they created for this study, can effectively weaken the nitrogen-nitrogen bond. The earliest microbes to develop the ability to fix nitrogen may have evolved similar types of simple clusters, Suess says.

Suess and his students are now working on ways to study how the more complex, naturally occurring versions of iron-sulfur clusters interact with dinitrogen.