Международная группа исследователей во главе с Кристианом Обингером из Венского университета использовала нейтронный анализ в Окриджской национальной лаборатории, рентгеновскую кристаллографию и другие методы для изучения фермента хлоритдисмутазы. Этот природный белок может расщеплять хлорит, промышленный загрязнитель, содержащийся в грунтовых водах, питьевой воде и почвах, на безвредные побочные продукты, но его каталитический процесс недостаточно изучен.
Понимание того, как бактериальный фермент превращает хлорит в хлорид и кислород, может открыть возможности для будущих применений в биоремедиации и биотехнологии.Результаты, опубликованные в ACS Catalysis, также способствуют фундаментальным исследованиям способности фермента вырабатывать кислород.
Генерация кислорода в природе невероятно редка и когда-то считалась возможной только в результате фотосинтеза, поэтому ферментативная активность хлоритдисмутазы вызвала интерес научного сообщества, помимо ее экологических применений для чистой воды.Вопрос о том, как именно хлоритдисмутаза на молекулярном уровне расщепляет хлорит, обсуждался с момента открытия фермента в 1996 году. Сложность молекулярной структуры фермента и сложность изучения белков экспериментальными методами представляют собой неотъемлемые проблемы для исследователей.Как и большинство ферментов, хлоритдисмутаза — это белок, катализирующий высокоспецифичную реакцию.
Процесс часто зависит от окружающей среды, что означает, что он лучше всего работает при определенных параметрах, включая температуру, концентрацию и диапазоны pH. Определение идеальных параметров реакции является ключом к поддержке биоинженерии и крупномасштабного производства хлоритдисмутазы для безопасного удаления хлорита из окружающей среды и потенциального использования выработки кислорода ферментом.
Команда выделила неизученный штамм хлоритдисмутазы Cyanothece и исследовала кристаллическую структуру белка при определенных значениях pH, чтобы определить влияние pH на конверсию хлорита.Исследователи использовали MaNDi, макромолекулярный нейтронный дифрактометр, канал 11-B в источнике нейтронов расщепления, объект Министерства энергетики в ORNL, для сбора уникальных данных, которые можно получить только с помощью нейтронов.
«Различные белковые кристаллы имеют разную степень симметрии, которая будет определять, как мы будем их измерять. Этот кристалл необычен тем, что он имеет очень слабую симметрию, поэтому особенно большое количество отражений необходимо регистрировать индивидуально, чтобы получить полный набор данных. «, — сказал Лейтон Коутс, ведущий научный сотрудник MaNDi. «Это была бы сложная и длительная задача в любом месте, и она была достижима только в этот период времени из-за большой зоны охвата детектора прибора MaNDi».На MaNDi исследователи смогли определить состояние протонирования важных аминокислот, которые, как считается, поддерживают реакцию. «Протонирование» относится к фундаментальному этапу катализа, во время которого водород присоединяется к молекулам. «Это важная область белка, где происходит химический процесс и разрушается хлорит», — сказал Коутс.
Состояния протонирования нелегко наблюдать, потому что они включают водород, который трудно обнаружить с помощью рентгеновских лучей или других методов. Кроме того, при воздействии рентгеновских лучей на металлосодержащие ферменты, такие как хлоритдисмутаза, происходит явление, называемое «фотовосстановление», что существенно меняет атомную структуру образца.
Поскольку нейтронные методы не имеют этих ограничений, они могут дать исследователям ключевую информацию, которую нельзя получить другими методами. «Нейтроны являются неразрушающими и чувствительными к легким элементам, таким как водород, поэтому они могут предоставить эксклюзивную информацию об атомной структуре белков, которые в основном состоят из молекул водорода», — пояснил Коутс.«И в отличие от рентгеновских лучей, которые могут повредить хрупкие белки, нейтронные методы позволяют собирать данные при комнатной температуре о неизмененном белке в его активном состоянии без воздействия ионизирующего излучения и фотовосстановления», — сказал Коутс. «Этот эксперимент действительно подчеркивает преимущества использования нейтронов для изучения белков».