Структурные основы бактериального извлечения энергии из атмосферного водорода

Nature, том 615, страницы 541–547 (2023 г.) Процитировать эту статью

107 тысяч доступов

2 цитаты

1860 г. Альтметрия

Подробности о метриках

Разнообразные аэробные бактерии используют атмосферный H2 в качестве источника энергии для роста и выживания1. Этот глобально значимый процесс регулирует состав атмосферы, увеличивает биоразнообразие почвы и стимулирует первичное производство в экстремальных условиях2,3. Атмосферное окисление H2 приписывается неохарактеризованным членам суперсемейства гидрогеназ [NiFe]4,5. Однако остается нерешенным, как эти ферменты преодолевают необычайную каталитическую задачу окисления пикомолярных уровней H2 на фоне окружающих уровней каталитического яда O2 и как полученные электроны передаются в дыхательную цепь1. Здесь мы определили с помощью криоэлектронной микроскопии структуру гидрогеназы Huc Mycobacterium smegmatis и исследовали ее механизм. Huc представляет собой высокоэффективный нечувствительный к кислороду фермент, который сочетает окисление атмосферного H2 с гидрированием менахинона, переносчика дыхательных электронов. Huc использует узкие гидрофобные газовые каналы для избирательного связывания атмосферного H2 за счет O2, а кластеры 3 [3Fe–4S] модулируют свойства фермента, так что окисление H2 в атмосфере становится энергетически осуществимым. Каталитические субъединицы Huc образуют октамерный комплекс массой 833 кДа вокруг связанного с мембраной стебля, который транспортирует и восстанавливает менахинон на расстоянии 94 Å от мембраны. Эти открытия обеспечивают механистическую основу для биогеохимически и экологически важного процесса окисления H2 в атмосфере, открывают способ энергетического взаимодействия, зависящего от транспорта хинонов на большие расстояния, и открывают путь для разработки катализаторов, окисляющих H2 в окружающем воздухе.

Окисление почвами атмосферного водорода (H2) является ключевым биогеохимическим процессом, формирующим окислительно-восстановительное состояние атмосферы1. До недавнего времени это считалось абиотическим процессом, но теперь признано, что различные аэробные бактерии, по крайней мере, девяти типов окисляют атмосферный H2 и вместе составляют 75% (около 60 Тг) от общего количества H2, удаляемого из атмосферы ежегодно1. 4,6. Атмосферное окисление H2 обеспечивает бактериям дополнительный источник энергии в почвенных средах с ограниченным количеством питательных веществ, позволяя им либо расти миксотрофно7,8,9,10,11, либо сохраняться только на воздухе в спящем, но жизнеспособном состоянии в течение длительных периодов2,4,6. 12,13,14,15. Например, клетки Mycobacterium и споры Streptomyces выживают при голодании за счет переноса электронов через аэробную дыхательную цепь от атмосферного H2 к O2 (ссылки 7,14,16,17). Способность окислять атмосферный H2 широко распространена у бактерий из различных сред2, а некоторые экосистемы, такие как гиперзасушливые полярные почвы, по-видимому, управляются в первую очередь источниками атмосферной энергии1,2,3,15.

Не известны химические катализаторы, способные окислять атмосферный H2; это потребует селективного окисления низких концентраций субстрата (530 частей на миллиард по объему (ppbv)) присутствующего в атмосфере, содержащей высокую концентрацию (21%) каталитического яда O2 (ссылки 18,19). Гидрогеназы группы 1 [NiFe] представляют собой семейство мембраносвязанных H2-окисляющих металлоферментов, которые поддерживают аэробный и анаэробный рост бактерий в средах, богатых H2; однако эти ферменты, как правило, неспособны к атмосферному окислению H2, поскольку они имеют низкое сродство к H2 (константа Михаэлиса (Km) >500 нМ) и обратимо или необратимо ингибируются O2 (ссылки 20,21,22,23, 24). Недавно было идентифицировано несколько высокоаффинных линий гидрогеназ [NiFe] группы 1 и 2, которые вводят электроны, полученные из атмосферного H2, в аэробную дыхательную цепь3,4,5,6. Исследования на цельных клетках показывают, что эти ферменты имеют значительно более высокое видимое сродство к H2 (значения Km от 30 до 200 нМ) и кажутся нечувствительными к ингибированию O2 (ссылки 4,6,10,25,26). Однако, поскольку эти гидрогеназы еще предстоит выделить, остается неизвестным, как они научились избирательно окислять H2, переносить воздействие O2 и взаимодействовать с цепью переноса электронов. Примечательно, что ведутся споры о том, обладают ли гидрогеназы, ответственные за окисление атмосферного H2, изначально высоким сродством или их сродство модулируется их взаимодействием с дыхательной цепью1,23.