V dôsledku neustále sa zhoršujúcej klimatickej krízy spôsobenej akumuláciou oxidu uhličitého (CO2) v atmosfére je hľadanie nápadov na ukladanie CO2 čoraz dôležitejšie. Tím prof. Bena Engela z Biocentra Bazilejskej univerzity spolu s kolegami z univerzít vo Frankfurte a Marburgu objasnili štruktúru enzýmu, ktorý odhaľuje nový spôsob ukladania CO2.
Nezvyčajný enzým HDCR produkuje kyselinu mravčiu z plynného vodíka (H2) a oxidu uhličitého (CO2), čím odstraňuje CO2 z prostredia a ukladá ho v bunke. V tomto procese HDCR prenáša elektróny z vodíka na CO2. Ide o prvý známy enzým, ktorý dokáže priamo využívať vodík ako zdroj elektrónov na ukladanie CO2. Enzým HDCR bol objavený v teplomilnej baktérii Thermoanaerobacter kivui, pôvodne nájdenej v roku 1981 v jazere Kivu v strednej Afrike. Žije v prostrediach, ktoré majú málo kyslíka, ako je hlboké more. Výskumné tímy z univerzít v Bazileji, Frankfurte (prof. Volker Müller) a Marburgu (prof. Jan Schuller) teraz úspešne objasnili štruktúru HDCR. Výsledky boli publikované v odbornom časopise Nature.
Vysokorýchlostný katalyzátor
Enzým HDCR sa skladá z dlhých vlákien. Táto vláknitá štruktúra pôsobí ako „nanovlákno“ vodiace elektróny, ktoré je evidentne zodpovedné za extrémne efektívne miery konverzie týchto dvoch plynov. Ako vysvetlil Dr. Ricardo Righetto, jeden z prvých autorov štúdie z Biozentra Bazilejskej univerzity: „Je to štruktúra enzýmu, ktorá umožňuje vysokorýchlostné ukladanie CO2.“ Výskumníci zistili, že tento enzým je rýchlejší ako ktorýkoľvek predtým známy chemický katalyzátor vykonávajúci túto reakciu.
Vedci použili doplnkové prístupy kryo-elektrónovej mikroskopie, aby pochopili, ako funguje HDCR. Najprv zobrazili vlákna purifikované v laboratóriu, čo umožnilo určiť atómovú štruktúru enzýmu. To zviditeľnilo detaily vlákien a odhalilo, ako „nanovlákno“ obsahuje tisíce elektrónovo vodivých zhlukov atómov železa a síry, ktoré umožňujú účinný prechod elektrónov z vodíka na CO2. Vedci sa domnievajú, že „nanodrôt“ môže tiež uchovávať elektróny z vodíka, keď okolo baktérie prejde čo i len jedna vodíková bublina.
Potom vykonali tomografiu zmrazených bunkových rezov na zobrazenie natívnych HDCR štruktúr vo vnútri buniek T. kivui. Táto špičková technika odhalila, že vlákna sa okolo seba niekoľkokrát krútia ako kovový kábel. Ako ďalej uviedol Righetto: „Boli sme naozaj prekvapení, že nielen potvrdili výskyt HDCR filamentov v bunkách, ale zistili sme, že tvoria veľké zväzky pripojené k membráne. Tieto nadstavby vyzerajú ako kruhové „portály“ na membráne. Toto usporiadanie môže byť dôležité na zvýšenie účinnosti enzýmu pre baktérie na získavanie energie v takýchto extrémnych podmienkach.“
Nová možnosť skladovania CO2
Neustále sa zhoršujúca klimatická kríza spôsobená rastúcou akumuláciou CO2 v atmosfére si vyžaduje vývoj nových nápadov na zachytávanie a ukladanie CO2. Ako uviedol Prof. Ben Engel, vedúci skupiny v Biozentre Bazilejskej univerzity: „Štruktúra HDCR nám ukazuje nový spôsob, ako efektívne ukladať CO2 pomocou vodíka ako zdroja energie. To by sa mohlo ukázať ako veľmi užitočné pre budúce biotechnologické aplikácie. Naša štúdia zároveň demonštruje hodnotu základného vedeckého výskumu, ktorý skúma biológiu rôznych organizmov. Príroda je plná úžasných prekvapení!“
Viac informácií:
Helge M. Dietrich, Ricardo D. Righetto, Anuj Kumar, Wojciech Wietrzynski, Raphael Trischler, Sandra K. Schuller, Jonathan Wagner, Fabian M. Schwarz, Benjamin D. Engel, Volker Müller & Jan M. Schuller.
Membrane-anchored HDCR nanowires drive hydrogen-powered CO2 fixation. Nature (2022), doi: 10.1038/s41586-022-04971-z
Zdroj: https://www.unibas.ch, zverejnené: 26. 7. 2022, autor: rpa
