Enzym fixující vzdušný dusík dokáže vyrábět biopalivo

Rostliny potřebují dusík a uhlík, aby rostly. Fotosyntéza jim dovoluje brát uhlík z atmosféry ve formě CO₂, ale dusík si musejí obstarat skrze kořeny z anorganických (dusičnany) nebo organických (aminokyseliny) molekul. A to i přes to, že plynný dusík (N₂) tvoří celých 80% atmosféry Země. Farmáři tudíž používají dusíkatá hnojiva, aby uspokojili potřeby svých plodin. Jedinými žijícími bytostmi na naší planetě, které jsou schopné přeměnit plynný N₂ na formu využitelnou rostlinami, jsou mikroorganismy. Ty mají ve svém arzenálu mocný enzym, nitrogenázu, která dokáže rozbít pevnou vazbu mezi atomy N₂ a s pomocí vodíku ho přeměnit na amonné ionty (NH₄⁺). Tato forma je pro rostliny stravitelná. V nové studii vědci nejenom že potvrdili unikátnost tohoto enzymu, ale dokonce popsali mechanismus, kterým tento enzym produkuje uhlovodíky.

Čím je ale nitrogenáza jedinečná? Je to jediný enzym, který dokáže rozbít velmi pevné trojmocné vazby v molekule N₂ a přetvořit je na lépe stravitelné vazby s H₂ jako jsou vazby v NH₄⁺. Právě to ho činí mezi enzymy unikátním. Tým Prof. Olivera Einsle z Ústavu biochemie na Univerzitě ve Freiburgu se proto nejprve zaměřil na detailní popis principu fungování nitrogenázy a poznatky využil k tomu, aby donutil nitrogenázu produkovat uhlovodíky

Prof. Einsle dále vysvětluje:“V současné době zhruba polovina lidstva je závislá na plodinách, které je třeba hnojit dusíkatými hnojivy. To „užírá“ asi 1% celosvětové spotřeby energie. Přišli jsme na to, že nitrogenáza nejenom, že fixuje vzdušný N₂ a dodává ho rostlině bez nutnosti ji hnojit, ale za určitých podmínek dokáže místo N₂ přeměnit oxid uhelnatý (CO) na jednoduché uhlovodíky. Ty by mohli sloužit jako budoucí biopalivo.“

Obr. Schématické znázornění krystalové struktury aktivního centra nitrogenázy. Obrázek zachycuje jak je oxid uhelnatý (CO) po vazbě na atomy vodíku (šedivé koule) „odstrčí“ neboli dislokuje atomy síry (žluté koule). Credit: Oliver Einsle

Ve své studii publikované letos v časopise Science popisuje Prof. Einsle s kolegy dosud nevídanou sílu nitrogenázy. Srdce enzymu tvoří na enzym netypické kovové jádro tvořené molybdenovým kofaktorem (FeMoco). Vědcům se podařilo určit přesnou strukturu jádra a na základě toho popsali, jak nitrogenáza přeměňuje CO na biopalivo. „Aktivní centrum nitrogenázy tvořené FeMoco má neuvěřitelnou sílu, která v přítomnosti CO doslova „odstrčí“ okolní atomy, a tím umožní vazbu CO na aktivní centrum enzymu a tak dojde k přeměně CO na uhlovodík“, vysvětluje Prof. Einsle.

Takto dramatické přesuny atomů v aktivním centru enzymu nebyly zatím v biologických systémech popsány. Nitrogenáza je prvním enzymem, který je schopný tyto přeměny katalyzovat. Na celý proces přeměny CO na uhlovodíky se však přišlo nepřímo. CO je totiž paradoxně inhibitorem nitrogenázové aktivity. To znamená, že v přítomnosti CO dojde k utlumení přeměny N₂ na NH₄⁺. Vědci si však všimli, že nitrogenáza během inhibice tvoří malé množství jednoduchých uhlovodíků. To jim nedalo spát, až do doby, kdy přišli s vysvětlením celého procesu. Ve svých experimentech však šli ještě dále a donutili nitrogenázu produkovat uhlovodíky ve větším množství. Jak? „Během procesu, kdy nitrogenáza přeměňovala N₂ jsme začali do systému přivádět velké množství čistého CO. Nitrogenáza k našemu překvapení začala opravdu produkovat uhlovodíky. Prokázali jsme tedy, že nitrogenáza umí nejenom fixovat N₂, ale za řízených podmínek umí i efektivně přeměňovat CO na uhlovodíky,“ vysvětluje Prof. Einsle.

To je přece něco neuvěřitelného. Máme zde nový biologický systém, který vyrábí biopalivo s pomocí pouze dvou plynů, jednoho odpadního z nedokonalého spalovaní různých materiálů (CO) a druhého, který je nejrozšířenějším plynem na planetě (N₂). Budoucnost ukáže, zda půjde tento objev komerčně využít.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použité zdroje:

T. Spatzal, K. A. Perez, O. Einsle, J. B. Howard, D. C. Rees. Ligand binding to the FeMo-cofactor: Structures of CO-bound and reactivated nitrogenase. Science, 2014; 345 (6204): 1620 DOI: 10.1126/science.1256679

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. "Fertilizer and fuel: Nitrogen-fixing enzyme also produces hydrocarbons." ScienceDaily. ScienceDaily, 26 September 2014. <www.sciencedaily.com/releases/2014/09/140926085828.htm>.