חוטי יעילות: כיצד חיידקים מתנוגניים מנהלים אלקטרונים

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
X-ray_Promo1


ארכאיות מתנוגניות משתמשות במערכות אנזים מתוחכמות כדי לחיות בסביבות חמצן מוגבלות באנרגיה. מנגנון מרכזי לחיסכון באנרגיה הוא פיצול אלקטרונים, תגובה ש"מפצלת "את האנרגיה של זוג אלקטרונים, וגורמת לאחד להפחית חזק יותר על חשבון השני. חוקרים ממכוני מקס פלאנק למיקרוביולוגיה יבשתית (מרבורג) וביופיזיקה (פרנקפורט אם מיין) גילו קומפלקס אנזים עצום מארכיאון מתנוגני המעביר ישירות אלקטרונים מתגובת פיצול האלקטרונים ל- CO2 צמצום וקיבוע. תובנותיהם המפורטות בתהליכים יעילים אלה של שינוי אנרגיה עשויות לפתוח אפשרויות חדשות לפיתוח ביוטכנולוגי בר קיימא.

כמיליארד טון מתאן מיוצרים מדי שנה על ידי מיקרואורגניזמים אנאירוביים הנקראים ארכאה מתנוגנית. מאחר ומתאן הוא גז חממה רב עוצמה, ריכוז מתאן אטמוספרי של מתאן מאיים על חיים ועל פרנסה. מצד שני, לכידת המתאן המיוצר ביולוגית על ידי עיכול אנאירובי של פסולת ושפכים עשויה לייצג מקור דלק מתחדש. לכן, להבנת המנגנונים של יצירת מתאן מיקרוביאלית יש פוטנציאל לעורר ולתמוך במאמצי שימור הסביבה.

ארכאה מתנוגנית מתחרה בהצלחה על ידי ביצוע מתנוגנזה, אחד השלבים האחרונים של פירוק אנאירובי של חומרים מזינים אורגניים, לעתים קרובות בתנאים קיצוניים. רוב הארכאיות המתאנוגניות מייצרות מתאן מפחמן דו חמצני (CO2) וגז מימן (H2) באמצעות המחזור המתנוגני, הכולל תגובות אנזים מרובות. בבתי גידול מתנוגניים אופייניים, תגובה זו משחררת רק כמות קטנה של אנרגיה, ולכן מתנוגנים זקוקים למערכות אנזים יעילות ביותר כדי לשגשג בסביבות מוגבלות באנרגיה כאלה.

שלב מתוחכם במיוחד של המחזור המתנוגני נקרא פיצול אלקטרונים מבוסס פלבין (FBEB). בתגובה זו האנרגיה של זוג אלקטרונים מפוצלת, כך שהאלקטרון האחד הופך לירידה חזקה יותר על חשבון השני. ההנחה היא כי מתנוגנים מעבירים את האלקטרון בעל האנרגיה הגבוהה מתגובה זו כדי לתקן CO2 באמצעות חלבון נושא אלקטרונים קטן, ferredoxin, המתפזר בחופשיות בתא.

באופן מפתיע, צוות מחקר ב- MPI למיקרוביולוגיה יבשתית (מרבורג) וב- MPI לביופיזיקה (פרנקפורט) הוכיח כי אין צורך במוביל אלקטרונים כזה כדי להעביר אלקטרונים מ- FBEB ל- CO2 צִמצוּם. החוקרים טהרו מתחמי אנזים המורכבים מפורמט dehydrogenase (Fdh), heterodisulfide reductase (Hdr) ו- formylmethanofuran dehydrogenase (Fmd) מהארכיאון המתנוגני. Methanospirillum hungatei. מין זה, כמו גם מתנוגנים רבים אחרים, נמצא לעתים קרובות במעכלים אנאירוביים המטפלים בפסולת אורגנית, כגון שפכים עירוניים או פסולת תעשייתית.

החוקרים אפיינו את תפקודם של מתחמי האנזים בעזרת מבחני אנזים ומבנים שנפתרו על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים קריוגני (קריו-אמ). המבנים גילו כי האנזימים המזרזים את השלבים האחרונים והראשונים של המחזור המתנוגני יוצרים קומפלקס מסיבי, ובכך מחברים ישירות בין שני שלבים, כלומר ה- FBEB מונע הפורמטים והפחתת CO2, מבלי להשתמש בחלבון המוביל אלקטרונים המוביל את הפארדוקסין.

"הניתוח המבני שלנו גילה קומפלקס אנזימים ענק", אומר טומהירו ווטנבה, מחבר המחקר. "חלבון שרשרת העברת אלקטרונים, פוליפררדוקסין, יוצר מסלול מוליך המוביל את האלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה מ- FBEB ישירות ל- CO2 הפחתה, ולא באמצעות נשא מסיס. המשמעות היא שיש פחות הזדמנות לאבד את האלקטרונים היקרים האלה ".

השוואות מבניות ומבחני אינטראקציה שפורסמו בעבר מצביעים על כך שמבנים מסוג כזה של מתחמי ה- Hdr ו- Fmd יכולים להיות שכיחים בארכאיות מתנוגניות מגוונות. המבנים גם סיפקו תובנה חדשה לגבי המנגנון המשוכלל של FBEB. הסופרת המקבילה בוני מרפי מסבירה: "שיטת cryo-EM מאפשרת לנו להשתמש בסיווג תמונות כדי לפתור מבנים של מצבי קונפורמציה שונים הנמצאים בתוך אותו מדגם. במקרה זה, גילינו ששני מצבי קונפורמציה שונים של המתחם נבדלים ביניהם בגודל גדול. סיבוב של חלק שאנו מכנים אותו 'זרוע ניידת'. על ידי סיבוב בין שתי המצבים הללו, המורכבים שולטת בזרימת האלקטרונים אל אתר FBEB ומחוצה לו. "

יחד, ממצאים אלה עוזרים לנו להבין כיצד מטבוליזם האנרגיה של ארכאה מתנוגנית מכוון היטב ליעילות: על ידי שליטה על זרימת האלקטרונים אל תוך FBEB ויציאתו ומאפשר העברה ישירה של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה ל- CO2 קיבעון. ידע זה יעזור בעיצוב אסטרטגיות להפחתת פליטת גזי חממה, ועשוי לאפשר יישום רחב יותר של פיצול אלקטרונים בביוטכנולוגיה.

מקור הסיפור:

חומרים המסופק על ידי חברת מקס פלאנק. הערה: ניתן לערוך תוכן לפי סגנון ואורך.

.



קישור לכתבת המקור – 2021-09-03 16:53:20

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר