Wie eine Bodenmikrobe die künstliche Photosynthese ankurbeln könnte

Pflanzen sind für ihre bloße Existenz auf einen Prozess namens Kohlenstofffixierung angewiesen, bei dem Kohlendioxid aus der Luft in kohlenstoffreiche Biomoleküle umgewandelt wird. Das ist der springende Punkt der Photosynthese und ein Eckpfeiler des riesigen ineinandergreifenden Systems, das Kohlenstoff durch Pflanzen, Tiere, Mikroben und die Atmosphäre zirkuliert, um das Leben auf der Erde zu erhalten.

Aber die Champions der Kohlenstofffixierung sind keine Pflanzen, sondern Bodenbakterien. Einige bakterielle Enzyme führen einen Schlüsselschritt bei der Kohlenstofffixierung 20-mal schneller durch als pflanzliche Enzyme, und herauszufinden, wie sie dies tun, könnte Wissenschaftlern helfen, Formen der künstlichen Photosynthese zu entwickeln, um das Treibhausgas in Kraftstoffe, Düngemittel, Antibiotika und andere Produkte umzuwandeln.

Jetzt hat ein Forscherteam des SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums der Stanford University, des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie in Deutschland, des Joint Genome Institute (JGI) des DOE und der Universität Concepción in Chile entdeckt, wie ein bakterielles Enzym – ein Molekül Maschine, die chemische Reaktionen ermöglicht – dreht auf, um dieses Kunststück zu vollbringen.

Anstatt Kohlendioxidmoleküle zu greifen und sie einzeln an Biomoleküle zu heften, fanden sie heraus, besteht dieses Enzym aus Paaren von Molekülen, die synchron arbeiten, wie die Hände eines Jongleurs, der gleichzeitig Bälle wirft und fängt, um die Arbeit schneller zu erledigen . Ein Mitglied jedes Enzympaares öffnet sich weit, um eine Reihe von Reaktionsbestandteilen einzufangen, während das andere über seinen eingefangenen Bestandteilen schließt und die Kohlenstofffixierungsreaktion durchführt; dann tauschen sie die Rollen in einem kontinuierlichen Zyklus.

Ein einziger Punkt molekularen „Klebstoffs“ hält jedes Paar enzymatischer Hände zusammen, damit sie sich koordiniert öffnen und schließen können, entdeckte das Team, während eine Drehbewegung dabei hilft, Zutaten und fertige Produkte in die und aus den Taschen zu drängen, in denen die Reaktionen stattfinden stattfinden. Wenn sowohl Klebstoff als auch Verdrillung vorhanden sind, geht die Kohlenstoff-Fixierungsreaktion 100-mal schneller als ohne sie.

„Dieses bakterielle Enzym ist der effizienteste Kohlenstofffixierer, den wir kennen, und wir haben eine gute Erklärung dafür gefunden, was es tun kann“, sagte Soichi Wakatsuki, Professor am SLAC und Stanford und einer der leitenden Leiter der Studie. die veröffentlicht wurde in ACS Central Science in dieser Woche.

„Einige der Enzyme in dieser Familie wirken langsam, aber auf sehr spezifische Weise, um nur ein Produkt herzustellen“, sagte er. „Andere sind viel schneller und können chemische Bausteine ​​für alle Arten von Produkten herstellen. Jetzt, da wir den Mechanismus kennen, können wir Enzyme entwickeln, die die besten Eigenschaften beider Ansätze kombinieren und mit allen möglichen Ausgangsmaterialien sehr schnell arbeiten.“

Verbesserung der Natur

Das vom Team untersuchte Enzym gehört zu einer Familie namens Enoyl-CoA-Carboxylasen/Reduktasen oder ECRs. Es stammt von Bodenbakterien namens Kitasatospora setae, die zusätzlich zu ihrer Fähigkeit, Kohlenstoff zu binden, auch Antibiotika produzieren können.

Wakatsuki hörte vor einem halben Dutzend Jahren von Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Deutschland und Yasuo Yoshikuni vom JGI von dieser Enzymfamilie. Erbs Forschungsteam arbeitete an der Entwicklung von Bioreaktoren für die künstliche Photosynthese, um Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre in allerlei Produkte umzuwandeln.

So wichtig die Photosynthese für das Leben auf der Erde auch sei, sagte Erb, sie sei nicht sehr effizient. Wie alle Dinge, die im Laufe der Äonen durch die Evolution geformt wurden, ist es nur so gut, wie es sein muss, das Ergebnis des langsamen Aufbaus auf früheren Entwicklungen, aber nie der Erfindung von Grund auf etwas völlig Neues.

Darüber hinaus, sagte er, ist der Schritt in der natürlichen Photosynthese, der CO2 aus der Luft bindet, der auf einem Enzym namens Rubisco beruht, ein Engpass, der die gesamte Kette der photosynthetischen Reaktionen blockiert. Die Verwendung schneller ECR-Enzyme zur Durchführung dieses Schritts und deren Konstruktion, damit sie noch schneller ablaufen, könnte also einen großen Effizienzschub bringen.

„Wir versuchen nicht, eine Kopie der Photosynthese zu machen“, erklärte Erb. „Wir wollen einen Prozess entwerfen, der viel effizienter ist, indem wir unser technisches Verständnis nutzen, um die Konzepte der Natur nachzubauen. Diese ‚Photosynthese 2.0‘ könnte in lebenden oder synthetischen Systemen wie künstlichen Chloroplasten – in Öl suspendierten Wassertröpfchen – stattfinden.“

Porträts eines Enzyms

Wakatsuki und seine Gruppe untersuchten ein verwandtes System, die Stickstofffixierung, das Stickstoffgas aus der Atmosphäre in Verbindungen umwandelt, die Lebewesen benötigen. Fasziniert von der Frage, warum ECR-Enzyme so schnell sind, begann er mit Erbs Gruppe zusammenzuarbeiten, um Antworten zu finden.

Hasan DeMirci, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in Wakatsukis Gruppe, der jetzt Assistenzprofessor an der Koc University und Forscher am Stanford PULSE Institute ist, leitete die Bemühungen am SLAC mit Hilfe von einem halben Dutzend SLAC-Sommerpraktikanten, die er betreute. „Wir trainieren jedes Jahr sechs oder sieben von ihnen, und sie waren furchtlos“, sagte er. „Sie kamen unvoreingenommen, bereit zu lernen, und sie haben Erstaunliches geleistet.“

Das SLAC-Team stellte Proben des ECR-Enzyms her und kristallisierte sie zur Untersuchung mit Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory des DOE. Die Röntgenstrahlen enthüllten die molekulare Struktur des Enzyms – die Anordnung seines atomaren Gerüsts – sowohl für sich allein als auch in Verbindung mit einem kleinen Helfermolekül, das seine Arbeit erleichtert.

Weitere Röntgenuntersuchungen an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) von SLAC zeigten, wie sich die Struktur des Enzyms veränderte, wenn es an ein Substrat gebunden wurde, eine Art molekulare Werkbank, die Zutaten für die Kohlenstofffixierungsreaktion zusammenstellt und die Reaktion vorantreibt.

Schließlich führte ein Forscherteam der Linac Coherent Light Source (LCLS) von SLAC detailliertere Studien des Enzyms und seines Substrats am japanischen Freie-Elektronen-Röntgenlaser SACLA durch. Die Wahl eines Röntgenlasers war wichtig, da er es ihnen ermöglichte, das Verhalten des Enzyms bei Raumtemperatur – näher an seiner natürlichen Umgebung – nahezu ohne Strahlenschäden zu untersuchen.

In der Zwischenzeit führten die Gruppe von Erb in Deutschland und die Gruppe von außerordentlichem Professor Esteban Vöhringer-Martinez an der Universität von Concepción in Chile detaillierte biochemische Studien und umfangreiche dynamische Simulationen durch, um die von Wakatsuki und seinem Team gesammelten Strukturdaten zu verstehen.

Die Simulationen zeigten, dass das Öffnen und Schließen der beiden Teile des Enzyms nicht nur molekularen Klebstoff beinhaltet, sondern auch Drehbewegungen um die Mittelachse jedes Enzympaares, sagte Wakatsuki.

„Diese Drehung ist fast wie eine Ratsche, die ein fertiges Produkt herausdrücken oder eine neue Reihe von Zutaten in die Tasche ziehen kann, wo die Reaktion stattfindet“, sagte er. Die Drehung und Synchronisation der Enzympaare zusammen ermöglicht es ihnen, Kohlenstoff 100 Mal pro Sekunde zu fixieren.

Die ECR-Enzymfamilie umfasst auch einen vielseitigeren Zweig, der mit vielen verschiedenen Arten von Biomolekülen interagieren kann, um eine Vielzahl von Produkten herzustellen. Da sie aber nicht durch molekularen Klebstoff zusammengehalten werden, können sie ihre Bewegungen nicht koordinieren und arbeiten daher viel langsamer.

„Wenn wir die Geschwindigkeit dieser hochentwickelten Reaktionen zur Herstellung neuer Biomoleküle erhöhen können“, sagte Wakatsuki, „wäre das ein bedeutender Sprung auf dem Gebiet.“

Von statischen Aufnahmen bis hin zu flüssigen Filmen

Bisher haben die Experimente statische Momentaufnahmen des Enzyms, der Reaktionsbestandteile und der Endprodukte in verschiedenen Konfigurationen erzeugt.

„Unser Traumexperiment“, sagte Wakatsuki, „besteht darin, alle Zutaten zu kombinieren, während sie in den Pfad des Röntgenlaserstrahls fließen, damit wir die Reaktion in Echtzeit beobachten können.“

Das Team habe das bei SACLA tatsächlich versucht, sagte er, aber es habe nicht funktioniert. „Die CO2-Moleküle sind wirklich klein und bewegen sich so schnell, dass es schwierig ist, den Moment zu erfassen, in dem sie sich an das Substrat anlagern“, sagte er. „Außerdem ist der Röntgenlaserstrahl so stark, dass wir die Inhaltsstoffe nicht lange genug darin halten konnten, damit die Reaktion stattfinden konnte.

Ein bevorstehendes Hochenergie-Upgrade auf LCLS wird dieses Problem wahrscheinlich lösen, fügte er hinzu, mit Impulsen, die viel häufiger eintreffen – eine Million Mal pro Sekunde – und individuell auf die ideale Stärke für jede Probe eingestellt werden können.

Wakatsuki sagte, sein Team arbeite weiterhin mit Erbs Gruppe zusammen und arbeite mit der LCLS-Probenlieferungsgruppe und mit Forschern der kryogenen Elektronenmikroskopie (Kryo-EM)-Einrichtungen von SLAC-Stanford zusammen, um einen Weg zu finden, diesen Ansatz zum Laufen zu bringen.