L'acqua potabile contaminata da arsenico è un grave rischio per la salute, con esposizione cronica che causa malattie e tumori. L'Organizzazione Mondiale della Sanità stima che in Bangladesh, Per esempio, oltre 5 milioni di persone sono state esposte ad acqua potabile contaminata da arsenico nel 2009. Spesso, l'arsenico viene rilasciato nell'acqua da microbi che respirano, o respirare, composti contenenti arsenico. I ricercatori del Caltech hanno ora determinato la struttura dell'enzima batterico che consente la respirazione dell'arsenico. Il lavoro è un passo importante verso la previsione delle influenze biologiche sulla mobilitazione dell'arsenico nell'ambiente.

Il lavoro è stato svolto nel laboratorio di Dianne Newman, il professore di biologia e geobiologia Gordon M. Binder/Amgen, l'Allen V. C. Davis e Lenabelle Davis Leadership Chair del Caltech's Center for Environmental Microbial Interactions, e funzionario esecutivo per la biologia molecolare. Appare in un articolo nel numero del 13 agosto di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Tra i composti tossici contenenti arsenico che contaminano l'acqua potabile ci sono gli arseniati. Questi composti si trovano comunemente associati ai minerali di ferro negli ambienti sedimentari. In questa forma, è improbabile che gli arsenati si dissolvano nelle acque sotterranee che fluiscono attraverso questi depositi geologici. Quando i batteri in questi ambienti esauriscono l'ossigeno, possono entrare in una modalità anaerobica e trasformarsi in arseniato respiratorio. Così facendo, i microbi trasformano l'arsenato in arsenito, un composto simile che è molto più solubile in acqua. Molti tipi diversi di batteri hanno questa capacità, la chiave per la quale è una particolare proteina chiamata complesso enzimatico Arr.

Un team internazionale di ricercatori guidati dall'ex studente laureato al Caltech Nathaniel Glasser (Ph.D. '17) ha ora determinato la struttura fisica dell'enzima e le precise posizioni molecolari in cui interagisce chimicamente con l'arsenato.

Le proteine ​​come il complesso di Arr sono così piccole che non possono essere viste con un microscopio ottico. Così, il team del Caltech si è rivolto a una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X per rivelare la struttura dell'enzima. Scoprire esattamente come è strutturato questo enzima è importante per comprenderne le funzioni specifiche, soprattutto perché esistono proteine ​​simili che interagiscono con i composti dell'arsenico in modi diversi. Inoltre, Glasser è stato in grado di esaminare l'enzima prodotto dai batteri Shewanella, microbi che effettivamente eseguono la respirazione dell'arsenato nell'ambiente, piuttosto che nell'organismo comunemente usato in laboratorio per l'espressione delle proteine ​​batteriche, Escherichia coli (E. coli). Sebbene E. colican esegua la respirazione con arseniato ed esprima il complesso enzimatico Arr, Shewanella può produrre proteine ​​molto più attive.

La ragione per cui l'arsenato è tossico per l'uomo è perché è chimicamente simile al fosfato, un composto necessario affinché le cellule producano ATP, la valuta energetica della cellula. Se è presente troppo arseniato, la cellula inizia a prenderlo al posto del fosfato, distruggendo la capacità della cellula di produrre ATP. In questo studio, Glasser ei suoi colleghi hanno misurato l'attività dell'enzima Arr in presenza di diversi livelli di fosfato.

"Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, il fosfato probabilmente stimola la respirazione dell'arsenato piuttosto che inibirla nei tipici ambienti sedimentari a contatto con le acque sotterranee. Sapere quanto velocemente questo enzima agisce in condizioni rilevanti per l'ambiente ci porta un passo avanti verso l'essere in grado di prevedere quanti batteri potrebbero mobilitare l'arsenico nell'acqua potabile in determinate località, " dice Newman. "Questa ricerca non risolverà la crisi in Bangladesh, ma avere una migliore gestione quantitativa di ciò che sta accadendo è utile per risolvere qualsiasi problema, e particolarmente importante quando si affronta un problema ambientale complesso in cui sono coinvolti molti fattori. Questo lavoro fornisce informazioni utili su un enzima che, per quanto ne sappiamo, si trova in ogni batterio che respira arseniato."

Il documento è intitolato "L'analisi strutturale e meccanicistica dell'arsenato reduttasi respiratoria fornisce informazioni sulle trasformazioni ambientali dell'arsenico".