Это такой металл: ученые подтверждают, что никель играет ключевую роль в древней химической реакции

18 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Кимберли Хикок, Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Углекислый газ (CO2) является наиболее распространенным парниковым газом, вызывающим изменение климата, но он существовал на Земле задолго до того, как люди начали выбрасывать его в атмосферу в беспрецедентных количествах. Таким образом, некоторые из самых ранних организмов на планете научились использовать этот газ, который в противном случае был бы вреден для людей и планеты.

Один из этих процессов, называемый путем Вуда-Люнгдала, происходит только в отсутствие кислорода и считается наиболее эффективным путем фиксации углерода в природе. Но как именно происходит переход от одного шага к другому, остается неясным.

Теперь ученые из Стэнфордского источника синхротронного излучения (SSRL) Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Мичиганского университета, Северо-Западного университета и Университета Карнеги-Меллон обнаружили ранее неизвестную внутреннюю работу пути Вуда-Люнгдала.

Их результаты, опубликованные в Журнале Американского химического общества в прошлом месяце, не только проливают свет на одну из старейших химических реакций на Земле, но также могут привести к улучшению методов улавливания углерода для усилий по смягчению последствий изменения климата.

«До этого исследования мы знали, что для того, чтобы путь Вуда-Люнгдала генерировал углерод для использования организмами, он начинается с углекислого газа», — сказал Мейкон Абернати, научный сотрудник SSRL и соавтор исследования. «Затем он преобразует CO2 в окись углерода и метильную группу и посредством какого-то химического волшебства объединяет их в форму углерода, которая может быть использована организмом».

В течение многих лет ученые постулировали, что этот путь осуществляется через ряд металлоорганических промежуточных соединений на основе никеля, которые образуют связи металл-углерод. В частности, исследователи сосредоточили свое внимание на комплексе из двух белков никель-железо-сера, называемых CO-дегидрогеназа и ацетил-КоА-синтаза (CODH/ACS), которые являются основными ферментами, катализирующими преобразование углекислого газа в энергетический и структурный углерод для строительства. клеточные стенки и белки.

Но подтвердить эту гипотезу оказалось непросто, поскольку ферментный комплекс необходимо очищать в атмосфере, лишенной кислорода, как это было на ранней Земле 4 миллиарда лет назад, когда появились эти белки и этот путь. Кроме того, промежуточные соединения часто нестабильны, и реакция может быстро стать неактивной. Кроме того, наличие других атомов никеля и железа в ХПКГ мешает изучению АКС, являющемуся целью данного исследования.

Чтобы обойти эти проблемы, исследователи разработали более активную версию белка, предназначенную только для ACS (без CODH), и использовали рентгеновские лучи в SSRL, чтобы понять содержащиеся в нем металлы и то, как они работают внутри фермента. Команда применила рентгеновскую спектроскопию — метод, с помощью которого ученые изучают интерференцию света, который поглощается, выделяется и затем отражается обратно к металлам в комплексе — здесь ACS — для выявления изменения химических связей по мере протекания реакций. .

Короче говоря, ученые подтвердили свою давнюю гипотезу.

«Мы обнаружили, что существует очень сложная часть металлоорганической химии, где один-единственный участок никеля в ферменте делает все самое интересное», — сказал Ритимукта Саранги, старший научный сотрудник SSRL и автор исследования.

Команда узнала, что хотя фермент имеет кластер из двух никелей, связанных с четырьмя атомами железа и серы каждый, реакция всегда происходит на одном конкретном никеле внутри кластера, сказал Стив Рэгсдейл, профессор Мичиганского университета и автор-корреспондент. на учебе. «Углероды, такие как окись углерода, метильная группа и ацетильная группа, все связываются с никелем, ближайшим к железу и сере, и совершенно ясно, что они не связываются ни с одним из других металлов».