آنزیم پایدار در برابر حرارت از میکروب اعماق دریا گاز نیتروژن را به آمونیاک تبدیل می کند
میکروارگانیسم ها می توانند کارهای قابل توجهی انجام دهند - برای مثال، تثبیت نیتروژن، تبدیل گاز نیتروژن (N2) به شکلی که موجودات می توانند از آن استفاده کنند. اگرچه گاز نیتروژن حدود 78 درصد از جو زمین را تشکیل می دهد، گیاهان و حیوانات نمی توانند مستقیما از آن استفاده کنند.
ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان
این مقاله با توجه به روند و سیاستهای ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:
میکروارگانیسم ها می توانند کارهای قابل توجهی انجام دهند - برای مثال، تثبیت نیتروژن، تبدیل گاز نیتروژن (N2) به شکلی که موجودات می توانند از آن استفاده کنند. اگرچه گاز نیتروژن حدود 78 درصد از جو زمین را تشکیل می دهد، گیاهان و حیوانات نمی توانند مستقیما از آن استفاده کنند.
دو اتم نیتروژن توسط سوپرچسب با هم نگه داشته می شوند: یک پیوند سه گانه شیمیایی. اما برخی از میکروارگانیسمها یک قدرت فوقالعاده دارند: میتوانند نیتروژن را با شکستن این پیوندها و تبدیل N2 به آمونیاک تثبیت کنند، که سپس میتواند برای ساخت مولکولهای بیولوژیکی استفاده شود. یکی از این ابرقهرمانان آرکئون در اعماق دریا Methanocaldococcus infernus است. این میکروارگانیسم در مناطق آتشفشانی دریایی زندگی می کند، جایی که دمای مایعات دریچه می تواند از نقطه جوش آب بیشتر شود.
این موضوع کنجکاوی دانشمندان آزمایشگاه تریستان واگنر در موسسه میکروبیولوژی دریایی ماکس پلانک در برمن را برانگیخت. آنها این میکروارگانیسم را "رام کردند" و مجبور کردند N 2 را حتی در دمای بالای 90 درجه سانتیگراد (194 درجه فارنهایت) تثبیت کند. "در چنین گرمایی چگونه این کار را انجام می دهند؟ و چگونه آنزیمی که پیوند سه گانه N 2 را می شکافد تحت این شرایط کار می کند؟" واگنر پرسید.
آنزیمی که ابرقدرت تثبیت N 2 را فراهم می کند، نیتروژناز نام دارد، آنزیمی که حاوی پیچیده ترین متالوکوفکتور شناخته شده در زیست شناسی است. متالوکوفکتورها مولکول های کمکی فلزی هستند که به یک آنزیم متصل شده و برای عملکرد آن ضروری هستند.
نیتروژنازهایی که به بهترین وجه مورد مطالعه قرار گرفته اند و بهترین عملکرد را دارند، یک متالکوفاکتور حاوی مولیبدن دارند، اما آنها به شکل های فقط وانادیوم و آهن نیز وجود دارند. اینکه چگونه این اشکال مختلف با یکدیگر مرتبط هستند و دقیقا چگونه مراکز فلزی آنها را قادر می سازد پیوند سه گانه N2 را بشکنند، یک حوزه فعال تحقیقاتی است.
نیتروژناز موجود در Methanocaldococcus infernus قابل توجه است زیرا به نظر میرسد که دارای ویژگیهایی از اشکال مولیبدن، وانادیوم و آهن است. این نوع نیتروژناز میتواند شبیه به یک اجداد مشترک نیتروژناز باشد، سیستم باستانی که همه آنها از آن تکامل یافتهاند. بنابراین، میتواند اصول مشترکی را در واکنش نیتروژناز آشکار کند.
در مطالعه خود که در مجله Nature Communications منتشر شد، محققان توانستند نیتروژناز را مستقیما از میکروب جدا کنند. ثابت شد که این آنزیم در دماهای بالا بسیار پایدار است، زیرا پروتئین تنها در دمای 90 درجه سانتیگراد (194 درجه فارنهایت) شروع به از هم پاشیدگی می کند و حتی برخی از آن در دمای 98 درجه سانتیگراد (208 درجه فارنهایت) زنده می ماند.
نویسنده اول Nevena Maslać از موسسه میکروبیولوژی دریایی ماکس پلانک می گوید: «این ثابت می کند که این آنزیم برای عملکرد در شرایطی طراحی شده است که در آن بیشتر پروتئین ها به سرعت تجزیه می شوند، مانند سفیده تخم مرغ پخته شده در آب داغ».
در دمای اتاق فعال نیست. بلکه نشان میدهیم که فقط در دمای بالا آمونیاک تولید میکند.
برای بدست آوردن تصویری دقیق از این نیتروژناز، محققان نیازی به سفر به اعماق دریا نداشتند، اما نیاز به گشت و گذار با ترکیب فیزیولوژی میکروبی، خالصسازی آنزیم بومی، بیوشیمی و زیستشناسی ساختاری داشت – که همگی در شرایط کاملا بدون اکسیژن برای جلوگیری از آسیبهای برگشتناپذیر به متالوکوفکتورهای آن.
با بیش از 100000 مشترک که برای اطلاعات روزانه به Phys.org متکی هستند، جدیدترین علم، فناوری و فضا را کشف کنید. برای خبرنامه رایگان ما ثبتنام کنید و از پیشرفتها، نوآوریها و تحقیقات مهم - روزانه یا هفتگی - بهروزرسانی دریافت کنید.
برای این کار، محققان این آنزیم را به شکل کریستالی به دست آوردند و آن را در موسسه ساختاری زیستشناسی در گرنوبل فرانسه مورد مطالعه قرار دادند. در اینجا، آنها از سینکروترون در محل استفاده کردند - یک شتاب دهنده ذرات دایره ای که اشعه ایکس قدرتمند تولید می کند.
ابتدا، دانشمندان از ساختار مولکولی نیتروژناز پرده برداری کردند. آنها به یک دید با وضوح نزدیک اتمی از ساده ترین نیتروژناز شناخته شده تا به امروز دست یافتند. این ترکیبی از ویژگی های ساختاری هر سه خانواده نیتروژناز شناخته شده - نیتروژنازهای مولیبدن، وانادیوم و فقط آهن است. این از این ایده حمایت می کند که نیتروژنازهای اجدادی ممکن است بیشتر شبیه به این آنزیم باستانی باشند تا همتایان باکتریایی خود.
سپس، محققان می خواستند اطمینان حاصل کنند که نیتروژناز حاوی متالوکوفکتور مولیبدن است. واگنر میگوید: «جستجوی ما برای مولیبدن از نظر فنی بسیار چالشبرانگیز بود و متخصصان سینکروترون را ملزم میکردند تا ابزار خود را به حد مطلق برسانند.
در پایان، اندازه گیری نه تنها سیگنال معمولی مولیبدن را ارائه کرد، بلکه شگفتی دیگری را نیز به همراه داشت. ما از نگاه کردن به وضعیتی که تاکنون مشاهده نشده بود در نیتروژناز حاوی مولیبدن شگفت زده شدیم! تا به حال، حالت به اصطلاح "گردش"، که به طور بالقوه یک مرحله میانی در واکنش را نشان می دهد، تنها به شکل وانادیوم و فقط آهن گرفته شده است.
مشاهده این حالت همچنین در آنزیم مولیبدن نشان می دهد که نیتروژناز به طور جهانی از همان الگوی برای تجزیه N 2 پیروی می کند.
درک بهتر تثبیت نیتروژن برای خیلی بیشتر از اعماق دریا مهم است. میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن مانند M. infernus نه تنها نیتروژن را به شکل آمونیاک در دسترس قرار می دهند، بلکه با تولید نیمی از متانی که در جو می یابیم، بازیگران اصلی چرخه کربن زمین هستند.
در آینده، چنین موجوداتی می توانند به طور بالقوه به عنوان پلتفرم های بیولوژیکی برای تبدیل گازها به محصولات مفید، از جمله متان و آمونیاک، با استفاده از هیدروژن سبز به عنوان منبع انرژی مورد بررسی قرار گیرند.
و اگر محصولات روزی بتوانند نیتروژن را مستقیما از N2 اتمسفر بدست آورند، چه؟ واگنر حدس می زند. این امر می تواند کشاورزی را کمتر به کودهای صنعتی وابسته کند. امروزه، تولید کود از طریق فرآیند هابر-بوش به انرژی قابل توجهی نیاز دارد و با انتشار گازهای گلخانهای مرتبط است، در حالی که استفاده بیش از حد کود به اوتروفیکاسیون و سایر مشکلات زیستمحیطی کمک میکند.
در حال حاضر، این مطالعه چیزی اساسیتر را ارائه میکند: یک نمای مولکولی به روز شده از یکی از قابل توجهترین واکنشهای شیمیایی زیستشناسی.
Nevena Maslać و همکاران، مبنای مولکولی تثبیت N 2 در یک آرکئون هایپرترموفیل، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-77173-0
لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →
لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →
متن اصلی (انگلیسی)
Heat-stable enzyme from deep-sea microbe turns nitrogen gas into ammonia
Microorganisms can do remarkable things—for example, nitrogen fixation, the conversion of nitrogen gas (N₂) into a form that organisms can use. Although nitrogen gas makes up around 78% of Earth's atmosphere, plants and animals cannot directly use it.