לגלות את סוד הטבע: כיצד שני פרדוקסינים מתדלקים את עתיד הדשנים

גילוי נשאי אלקטרונים חיוניים בניטרוגנאזות פותח נתיבים חדשים לייצור כימיקלים ידידותיים לסביבה, ונותן מענה לצוואר בקבוק מחקר ארוך שנים.

Nitrogenases נחשבים מועמדים מבטיחים לייצור אנזימטי בר קיימא של אמוניה ותרכובות פחמן. לרוע המזל, צוואר בקבוק אחד בתהליך המורכב הזה, אספקת האלקטרונים לאנזימים, נותר בגדר תעלומה עד כה. כעת, צוות במכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה יבשתית במרבורג גילה שני נשאי אלקטרונים חיוניים הממלאים תפקיד מפתח בקביעת הביצועים של nitrogenase של ברזל (Fe), ובכך פותחים אפשרויות חדשות לבירור ומקסום הפוטנציאל של הניטרוגנאז.

Nitrogenases הם זרזים למספר תגובות רלוונטיות תעשייתית, החשובה שבהן היא קיבוע כימי והפיכה של חנקן לאמוניה, חומר גלם לדשנים. הייצור התעשייתי שלהם מתבצע כיום באמצעות תהליך Haber-Bosch המזיק לסביבה.

דשנים המיוצרים באופן אנזימטי ובר-קיימא יכולים לחסוך כאחוז אחד מהאנרגיה הנצרכת בעולם ומהפחמן הדו-חמצני המשוחרר, וזו הסיבה שמעבדות מחקר וחברות סטארט-אפ רבות מתמקדות בנושא. עם זאת, מחקר הניטרוגנאז הוא מאתגר מכיוון שניטרוגנאזים הם מטלו-אנזימים מורכבים ביותר והיבטים רבים של התגובתיות והקטליזה שלהם עדיין לא מובנים.

ברזל ניטרוגנאז לא רק מקבע חנקן, אלא גם פחמן דו חמצני

חוקרים בראשות יוהנס רבליין במכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה יבשתית במרבורג, גרמניה, השיגו כעת תובנות ראשונות לגבי אספקת האנרגיה של קומפלקס האנזים, כלומר אספקת האלקטרונים שלו.

התוצאות שלהם חשובות לא רק עבור חנקן תעשייתי, אלא גם עבור קיבוע פחמן דו חמצני תעשייתי, מכיוון שאותו צוות הראה לאחרונה כי חנקן ברזל מסוגל גם להפוך פחמן דו חמצני לפחמימנים קצרי שרשרת. החוקרים אפיינו את הובלת האלקטרונים לניטרוגנאז הברזל בחיידק המודל Rhodobacter capsulatus והראה ששני חלבוני הובלה שונים של אלקטרונים, הנקראים ferredoxins, חיוניים לקיבוע חנקן.

צוואר הבקבוק של האנרגיה פותח גישות חדשות לאופטימיזציה

"רצינו לגלות אילו פרדוקסינים חיוניים לקטליזה של ניטרוגנאז. מכיוון שכל התאים מכילים פרדוקסינים מרובים, עם חיידק הדגם שלנו R. capsulatus בהפקת שישה פרדוקסינים שונים, רצינו גם לברר אם כמה מהפרדוקסינים הללו יכולים לבצע את אותה משימה או שיש להם פונקציות ספציפיות בהחלט", מסבירה הסופרת הראשונה הולי אדיסון. "כששני פרדוקסינים ספציפיים נדפקו, האחרים לא יכלו להשתלט על תפקידיהם. הגענו למסקנה שהפרדוקסינים הללו חיוניים וסביר להניח שמילאו תפקידים שונים בקיבוע חנקן."

אספקת האלקטרונים נחשבת לצוואר בקבוק בקטליזה. עם שני הפרדוקסינים, החוקרים זיהו כעת מטרות ברורות להשפיע על זרימת האלקטרונים ובכך על ביצועי הניטרוגנאזות כביולוגיות. "התוצאות שלנו הן תנאי מוקדם חשוב לאופטימיזציה של R. capsulatus כמערכת מודל להמרה מוגברת של חנקן או פחמן דו חמצני לאמוניה או פחמימנים קצרי שרשרת", מוסיף יוהנס רבליין. "המטרה כעת היא להמשיך ולחקור ולהנדס ניטרוגנאזים והחלבונים הקשורים אליהם כדי להרחיב את ההבנה שלנו ולאפשר ייצור של כימיקלים תעשייתיים בתפזורת."

השלבים הבאים של הפרויקט יתמקדו בהבנה טובה יותר של תפקידם של ferredoxins וכן בשימוש בשיטות ביולוגיה סינתטיות כדי לשנות אותם ולהאיץ את התחלופה של אנזים הניטרוגנאז על ידי אספקת אלקטרונים בצורה יעילה יותר.