Ученые из Королевского колледжа Лондона воссоздали активный участок ацетил-КоА-синтазы, фермента, участвующего в захвате углерода из атмосферы. Исследование, проведенное совместно с Имперским колледжем Лондона, расширяет наши знания об этом важном ферменте и предлагает потенциально новое решение для захвата CO 2 из атмосферы в борьбе с изменением климата.
Под руководством доктора Ребекки Масгрейв с химического факультета и доктора Дэниела Уилсона из UCL группа успешно воссоздала активный участок — участок, где происходят химические реакции — фермента ацетил -КоА-синтазы (ACS).
ACS преобразует CO 2 в ацетилкофермент-A — незаменимую молекулу, используемую в живых существах. Их выводы опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.
ACS наиболее известен своей ролью в цикле уксусной кислоты или цикле Кребса — серии химических реакций в живых организмах, в которых уксусная кислота окисляется для получения энергии. Поэтому он жизненно важен для хранения и высвобождения энергии, а также для захвата CO2 из атмосферы и хранения его в виде углерода.
Новая модель команды смогла воспроизвести эту химическую реакцию в лабораторных условиях, захватывая атмосферный углерод и сохраняя его в виде ацетилкофермента-А.
Ферменты — это белки, которые действуют как биологические катализаторы, ускоряя химические реакции. Таким образом, они выполняют жизненно важные функции в природе, в том числе в биологии человека.
Химические пути, созданные ферментами, за миллиарды лет развились в крупные, сложные биологические системы, и поэтому их очень сложно изучать и воспроизводить в лабораторных условиях. Ученые часто воссоздают в лабораторных условиях меньшие молекулярные версии ферментов — модели «активного центра».
Фермент ACS обнаружен в бактериях и некоторых одноклеточных организмах и функционирует без кислорода, строя сложные органические молекулы из углекислого газа и водорода. Хотя были предприняты попытки смоделировать активный центр фермента в лабораторных условиях, им не удалось точно воспроизвести форму и электронную среду активного центра для захвата углерода.
«Ученые изучали фермент ACS в течение десятилетий, но было трудно расшифровать механизм, который производит ацетилкофермент-А в активном центре фермента. В нашем исследовании мы сообщаем о модели активного центра — молекулярном кластере с двумя атомами никеля, — который имитирует форму и размер с поразительным сходством с активным центром фермента ACS», - сказал Дэниел Уилсон, ведущий исследователь из UCL. «Удивительно, но воздействие оксида углерода на нашу модель привело к успешному синтезу, имитирующему способ, которым фермент ACS производит ацетил-КоА в природе».
Работая с Макси Ресслером из Империала, команда использовала метод электронной парамагнитной спектроскопии для изучения соответствующих этапов и считает, что результаты предоставят ценную информацию ученым, изучающим фермент ACS и другие ферменты, связанные с фиксацией или захватом углерода в атмосфере.
«Наша новая модель открывает путь к лучшему пониманию того, как работает эта реакция. Изучая отдельные этапы реакции с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и других методов, мы можем использовать полученные знания для разработки искусственных катализаторов для промышленного использования», - сказала Ребекка Масгрейв. «Это может быть применено в различных областях, включая новые методы улавливания CO2 из атмосферы и использования его в качестве сырья для производства химикатов на основе углерода, таких как биотопливо для автомобилей или фармацевтические препараты».
Исследователи также надеются, что те, кто работает в области ферментной спектроскопии — области изучения ферментов — смогут взять их новую модель и адаптировать ее для использования в своих собственных исследованиях.
«Ферменты в природе выполняют эти невероятные преобразования так быстро и эффективно, что их очень трудно воспроизвести в лаборатории. Наша новая модель приближает нас на один шаг к пониманию того, как эти биологические системы делают это так хорошо, поэтому мы можем разрабатывать катализаторы в промышленных масштабах, чтобы воспроизвести преобразующую способность природы и решать ключевые социальные проблемы, такие как изменение климата», - пояснила Масгрейв.
