Arsenikförorenat dricksvatten är en stor hälsorisk, med kronisk exponering som orsakar sjukdomar och cancer. Världshälsoorganisationen uppskattar att i Bangladesh, till exempel, över 5 miljoner människor utsattes för arsenikförorenat dricksvatten under 2009. Ofta arsenik släpps ut i vattnet av mikrober som andas, eller andas, arsenikinnehållande föreningar. Caltech -forskare har nu bestämt strukturen för det bakteriella enzymet som möjliggör arsenisk andning. Arbetet är ett viktigt steg mot att förutsäga biologiska påverkan på arsenisk mobilisering i miljön.

Arbetet utfördes i Dianne Newmans laboratorium, Gordon M. Binder/Amgen professor i biologi och geobiologi, Allen V. C. Davis och Lenabelle Davis Leadership Chair för Caltech's Center for Environmental Microbial Interactions, och verkställande direktör för molekylärbiologi.Det förekommer i en tidning i 13 augusti -numret av Förfaranden från National Academy of Sciences .

Bland de giftiga arsenikinnehållande föreningar som förorenar dricksvatten finns arsenat. Dessa föreningar finns vanligtvis associerade med järnmineraler i sedimentära miljöer. I denna form, arsenat löser sig sannolikt inte i grundvattnet som rinner genom dessa geologiska fyndigheter. När bakterier i dessa miljöer tar slut på syre, de kan gå in i ett anaerobt läge och vända sig till respinerande arsenat. Genom att göra så, mikroberna förändrar arsenat till arsenit, en liknande förening som är mycket mer löslig i vatten. Många olika typer av bakterier har denna förmåga, nyckeln till vilken är ett särskilt protein som kallas Arr -enzymkomplexet.

Ett internationellt team av forskare under ledning av den tidigare Caltech -doktoranden Nathaniel Glasser (Ph.D. '17) har nu bestämt enzymets fysiska struktur och de exakta molekylära platserna där det kemiskt interagerar med arsenat.

Proteiner som Arr -komplexet är så små att de inte kan ses med ett optiskt mikroskop. Således, Caltech-teamet vände sig till en teknik som kallas röntgendiffraktion för att avslöja enzymets struktur. Att upptäcka exakt hur detta enzym är uppbyggt är viktigt för att förstå dess specifika funktioner, särskilt för att det finns liknande proteiner som interagerar med arsenikföreningar på olika sätt. Dessutom, Glasser kunde undersöka enzymet som produceras av Shewanella -bakterier - mikrober som faktiskt utför arsenatandning i miljön - snarare än i den organism som vanligen används i laboratoriet för bakteriellt proteinuttryck, Escherichia coli (E. coli). Även om E. colican utför andning av arsenat och uttrycker enzymkomplexet Arr, Shewanellacan producerar mycket mer aktivt protein.

Orsaken till att arsenat är giftigt för människor är att det kemiskt liknar fosfat, en nödvändig förening för celler för att göra ATP, cellens energivaluta. Om det finns för mycket arsenat närvarande, cellen börjar ta upp det istället för fosfat, förstör cellens förmåga att göra ATP. I den här studien, Glasser och hans kollegor mätte Arr -enzymets aktivitet i närvaro av olika fosfathalter.

"I motsats till vad man kan förvänta sig, fosfat stimulerar sannolikt arsenatandning snarare än att hämma det i typiska sedimentära miljöer i kontakt med grundvatten. Att veta hur snabbt detta enzym fungerar under miljörelevanta förhållanden tar oss ett steg närmare att kunna förutsäga hur mycket bakterier som kan mobilisera arsenik i dricksvatten på vissa platser, "säger Newman." Denna forskning kommer inte att fixa krisen i Bangladesh, men att ha ett bättre kvantitativt grepp om vad som händer är användbart för att lösa nästan alla problem, och särskilt viktigt när man hanterar ett komplext miljöproblem där många faktorer är inblandade. Detta arbete ger användbar information om ett enzym som, så vitt vi vet, finns i varje bakterie som andas arsenat. "

Tidningen har titeln "Strukturell och mekanistisk analys av arsenatet respiratoriskt reduktas ger insikt i miljöarseniska transformationer."