Немецкие ученые изучили фермент, отвечающий за усвоение атмосферного азота у глубоководной археи Methanocaldococcus infernus. Этот микроорганизм обитает у подводных вулканических жерл при температурах выше 90 °C. Оказалось, что его фермент нитрогеназа сочетает в себе черты всех известных типов и может быть близок к их общему эволюционному предку.
Азот составляет 78% атмосферы Земли, но из-за сверхпрочной тройной химической связи он недоступен для большинства живых организмов. Некоторые микробы умеют разрывать эту связь и превращать атмосферный азот в аммиак, который уже могут использовать растения и животные в своих биохимических процессах.
Команда из Института морской микробиологии Общества Макса Планка в Бремене выделила нитрогеназу из M. infernus и проанализировала ее свойства. Фермент оказался чрезвычайно устойчив к высоким температурам: он начинал разрушаться только при 90 °C и оставался частично целым даже при 98 °C, тогда как при комнатной температуре был неактивен.
Чтобы определить структуру белка, ученые применили метод рентгеновской кристаллографии на синхротроне в Гренобле. Анализ показал, что этот фермент – самый простой из изученных на сегодня. При этом он объединяет структурные особенности всех трех известных семейств нитрогеназ, которые работают на основе молибдена, ванадия или только железа.
В ходе анализа ученые сделали неожиданное открытие: они зафиксировали фермент в особом промежуточном состоянии, которое ранее наблюдали только у нитрогеназ с ванадием и железом, но никогда – у молибденовых. Это открытие указывает на то, что все типы нитрогеназ могут использовать единый базовый механизм для разрыва связи в молекуле азота.
Понимание этого процесса важно не только для фундаментальной науки. В будущем подобные микроорганизмы могут найти применение в биотехнологиях для производства аммиака или метана. Если же научить культурные растения самостоятельно фиксировать азот, это позволит сократить зависимость сельского хозяйства от промышленных удобрений, производство которых энергозатратно и связано со значительными выбросами парниковых газов.
