Nitrogenaser anses vara lovande kandidater för hållbar enzymproduktion av ammoniak och kolföreningar. Tyvärr har en flaskhals i denna komplexa process, tillförseln av elektroner till enzymerna, förblivit ett mysterium tills nu.
Ett team vid Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Marburg har upptäckt två väsentliga elektronbärare som spelar en nyckelroll för att bestämma prestandan hos järn (Fe) nitrogenas, vilket öppnar upp nya möjligheter för att belysa och maximera nitrogenas potential. Resultaten publiceras i tidskriften mBio .
Nitrogenaser är katalysatorer för flera industriellt relevanta reaktioner, varav den viktigaste är kemisk fixering och omvandling av kväve till ammoniak, en råvara för gödningsmedel. Deras industriella produktion sker för närvarande med hjälp av den miljöskadliga Haber-Bosch-processen.
Enzymatiskt och hållbart producerade gödselmedel skulle kunna spara omkring 1 % av den energi som förbrukas globalt och den tillhörande koldioxiden som frigörs, vilket är anledningen till att många forskningslabb och nystartade företag fokuserar på ämnet. Nitrogenasforskning är dock utmanande eftersom nitrogenaser är mycket komplexa metalloenzymer och många aspekter av deras reaktivitet och katalys är fortfarande dåligt förstådda.
Forskare under ledning av Johannes Rebelein vid Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology i Marburg, Tyskland, har nu fått första insikter om energiförsörjningen av enzymkomplexet, det vill säga dess elektrontillförsel.
Deras resultat är viktiga inte bara för industriellt kväve, utan också för industriell koldioxidfixering, eftersom samma team nyligen visade att järnnitrogenaser också kan omvandla koldioxid till kortkedjiga kolväten. Forskarna karakteriserade elektrontransporten till järnnitrogenaset i modellbakterien Rhodobacter capsulatus och visade att två olika elektrontransportproteiner, kallade ferredoxiner, är väsentliga för kvävefixering.
"Vi ville ta reda på vilka ferredoxiner som är avgörande för nitrogenaskatalys. Eftersom alla celler innehåller flera ferredoxiner, med vår modellbakterie R. capsulatus som producerar sex olika ferredoxiner, ville vi också ta reda på om flera av dessa ferredoxiner kan utföra samma uppgift eller om de har strikt specifika funktioner", förklarar förstaförfattaren Holly Addison.
"När två specifika ferredoxiner slogs ut kunde de andra inte ta över deras funktioner. Vi drog slutsatsen att dessa ferredoxiner var väsentliga och troligen spelade olika roller i kvävefixering."
Tillförseln av elektroner anses vara en flaskhals i katalys. Med de två ferredoxinerna har forskarna nu identifierat tydliga mål för att påverka elektronflödet och därmed prestandan hos nitrogenaser som biokatalysatorer.
"Våra resultat är en viktig förutsättning för optimeringen av R. capsulatus som ett modellsystem för ökad omvandling av kväve eller koldioxid till ammoniak eller kortkedjiga kolväten", tillägger Johannes Rebelein.
"Syftet nu är att ytterligare undersöka och konstruera nitrogenaser och deras associerade proteiner för att utöka vår förståelse och möjliggöra produktion av industriella bulkemikalier."
Nästa steg i projektet kommer att fokusera på bättre förståelse av ferredoxiners roll samt att använda syntetiska biologiska metoder för att modifiera dem och påskynda omsättningen av nitrogenasenzymet genom att tillhandahålla elektroner mer effektivt.
Mer information: Holly Addison et al, Två distinkta ferredoxiner är väsentliga för kvävefixering av järnnitrogenaset i Rhodobacter capsulatus, mBio (2024). DOI:10.1128/mbio.03314-23
Tillhandahålls av Max Planck Society
