В Университете Гёте ученые раскрыли механизм работы древнейшего фермента клеточного дыхания, что открывает новые перспективы в области удаления углекислого газа из выбросов. Исследование сосредоточилось на бактериях, живущих в бескислородных экосистемах, которые трансформируют углекислый газ и водород в уксусную кислоту.
Ученым удалось установить, что при производстве уксусной кислоты активируется механизм, при котором ионы натрия выкачиваются из бактериальной клетки в окружающую среду. Это снижает концентрацию натрия внутри клетки, причем клеточная оболочка действует как своеобразная плотина для ионов. Когда эта «плотина» открывается, ионы натрия устремляются обратно в клетку, приводя в движение молекулярную турбину, которая генерирует АТФ.
Ключевую роль в этом процессе играет комплекс белков Rnf, встроенный в мембрану бактериальной клетки. Этот комплекс настолько чувствителен, что ученым удалось выделить его лишь несколько лет назад. Когда углекислый газ реагирует с водородом с образованием уксусной кислоты, электроны передаются от водорода к атому углерода через ряд промежуточных этапов, в которых комплекс Rnf выступает посредником.
Исследователи выяснили, как поток электронов стимулирует отток ионов натрия. Ключевую роль играет кластер атомов железа и серы, расположенный в середине мембраны, который после захвата электрона заряжается отрицательно. Положительно заряженные ионы натрия из клетки притягиваются к этому кластеру подобно магниту, что вызывает смещение белков вокруг железо-серного кластера. Они создают отверстие, ведущее к внешней стороне мембраны, через которое ионы натрия высвобождаются.
Способность микроорганизмов поглощать CO₂ из окружающей среды во время производства уксусной кислоты потенциально может использоваться для удаления парниковых газов из промышленных выбросов. Это может помочь замедлить изменение климата и одновременно обеспечить ценное сырье для химической промышленности. Исследователи надеются, что понимание механизма генерации энергии бактериями позволит оптимизировать этот процесс для получения более качественных конечных продуктов.
Результаты исследования могут также предоставить отправные точки для создания новых лекарств против патогенов с аналогичными дыхательными ферментами.