Il cofattore ferro-vanadio (FeV) in nitrogenasi vanadio-dipendente è stato fatto reagire con monossido di carbonio (CO) e quindi gasato sotto pressione, permettendo di visualizzare due molecole del substrato in forma legata. Il cofattore FeV è uno dei centri metallici più grandi e complessi nelle proteine attualmente conosciuti. Consiste di sette ioni di ferro (grigio), 9 ioni zolfo (giallo), un carbonio centrale (nero), e uno ione vanadio (verde), e trasporta anche uno ione carbonato e una molecola di omocitrato come leganti organici. Credito:Oliver Einsle
Attraverso la fissazione biologica dell'elemento azoto da parte dell'enzima nitrogenasi, gli organismi ottengono l'accesso all'azoto molecolare (N 2 ) nell'atmosfera terrestre, che è essenziale per la costruzione di strutture cellulari. Inoltre, una variante della nitrogenasi dipendente dal vanadio può ridurre il gas tossico monossido di carbonio (CO) in idrocarburi. Queste riduzioni di N 2 e CO sono tra i processi più importanti della chimica industriale, in quanto vengono utilizzati per produrre sia fertilizzanti che combustibili sintetici. Però, i ricercatori non sono ancora stati in grado di decifrare i diversi percorsi delle due reazioni.
Dr. Michael Rohde del team del Prof. Dr. Oliver Einsle presso l'Istituto di Biochimica dell'Università di Friburgo, in collaborazione con due gruppi di ricerca della Freie Universität Berlin, è stato ora in grado di mostrare come il sito attivo della nitrogenasi vanadio-dipendente sia in grado di legare due molecole di CO contemporaneamente, creando così la base per combinare gli atomi di carbonio spazialmente adiacenti di entrambe le molecole in un processo riduttivo. I ricercatori hanno recentemente presentato i loro risultati sulla rivista Progressi scientifici .
Le riduzioni industriali di N 2 e CO, noti come processi di Haber-Bosch e Fischer-Tropsch, rispettivamente, richiedono temperature e pressioni elevate. mentre N 2 riduzione porta al prodotto biodisponibile ammonio (NH 4 + ), almeno due atomi di carbonio si combinano durante la conversione della CO. Il prodotto di reazione predominante è l'etilene (etene, C 2 h 4 ), un gas incolore che svolge un ruolo importante non solo nei combustibili ma anche nella produzione di materie plastiche. Sebbene la scissione di un legame N-N nella fissazione dell'azoto sia chimicamente fondamentalmente diversa dalla formazione di un legame CC nella riduzione di CO, gli scienziati in precedenza sospettavano che la nitrogenasi utilizzasse gli stessi principi meccanicistici di base per entrambe le reazioni.
In un lavoro precedente, il team guidato da Rohde ed Einsle ha usato la nitrogenasi per reagire con il gas CO, con conseguente legame specifico di una singola molecola. Nel loro studio attuale, che si basa su questo lavoro, i ricercatori mostrano che hanno gasato i cristalli di questo primo stato con CO sotto pressione e poi li hanno sottoposti ad analisi cristallografica a raggi X. Ciò ha permesso loro di osservare direttamente come si lega una seconda molecola di CO. "La forma di nitrogenasi ottenuta in questo modo, con due molecole di CO nel sito attivo, probabilmente rappresenta uno stato bloccato, "Rohde spiega, "ma fornisce indizi diretti sul meccanismo dell'enzima". Di conseguenza, Il team di Einsle può ora delineare un meccanismo dettagliato di riduzione della CO tramite nitrogenasi.
