麻省理工学院化学家发现意外的酶结构

麻省理工学院研究人员表明，当氧水平低时，一些称为一氧化碳脱氢酶的酶中的一些原子可以重新排列。镍原子（绿色）留下立方体的结构，使铁原子（橙色）置换。一个硫原子（黄色）也从立方体中移动。图像：伊丽莎白瓦滕生根

许多微生物具有可将二氧化碳转化为一氧化碳的酶。该反应对于建造碳化合物并产生能量至关重要，特别是对于生活在无氧环境中的细菌。

这种酶对想要寻找从大气中消除温室气体的新方法并将它们变成有用的含碳化合物的研究人员来说也非常感兴趣。目前用于转化二氧化碳的工业方法是非常能密集的。

“有工业过程可以在高温和高压下进行这些反应，然后有这种酶可以在室温下做同样的事情，”Catherine Drennan说，化学和生物学的麻省理工学院教授，​​霍华德休斯医学研究所调查员。“长期以来，人们一直有兴趣了解大自然如何用金属大会进行这种具有挑战性的化学。”

法国麻省理工学院和艾克斯大学和艾克斯 - 马赛大学的德伦南和她的同事现在发现了“C簇”结构的独特方面 - 金属和硫原子的集合形成酶一氧化碳的心脏脱氢酶（CODH）。正如预期一样，群集实际上可以改变其配置，而不是形成刚性脚手架。

“这不是我们预期的看法，”最近的麻省理工学院博士受援人员和研究的牵头作者伊丽莎白·韦滕斯（Elizabeth Wittenborn）说，这项研究的主要作者在10月2日刊上出现了。

一个分子车轮

含金属的簇如C簇在微生物中进行许多其他临界反应，包括分裂氮气，这难以在工业上进行复制。

大约20年前，德伦安开始研究一氧化碳脱氢酶和C-Cluster的结构，在她在麻省理工学院开始了她的实验。她和另一个研究群体每个都会使用X射线晶体学的酶的结构，但结构并不完全相同。最终得到了差异，并认为Codh的结构被认为是良好的。

威特生根几年前占据了该项目，希望为什么酶对氧气失活敏感并确定C簇如何放在一起敏感。

对于研究人员的惊喜，他们的分析显示了C簇的两个不同结构。首先是他们预期的安排 - 由四个硫原子，三根铁原子和镍原子组成的立方体，其中第四铁原子连接到立方体。

然而，在第二结构中，从立方体状结构中除去镍原子并取代第四铁原子。移位的铁原子与附近的氨基酸，半胱氨酸结合，其在其新位置保持它。其中一个硫原子也从立方体中移动。所有这些动作似乎都在一球中发生，研究人员描述为“分子车轮”。

“硫磺，铁和镍都迁移到新的位置，”Drennan说。“我们真的很震惊。我们以为我们明白了这种酶，但我们发现它正在做出我们从未预料过的这种令人难以置信的戏剧性运动。然后我们提出了更多的证据表明这实际上是有关和重要的东西 - 这不仅仅是侥幸的东西，而是这个集群设计的一部分。“

研究人员认为，这种运动发生在氧气暴露时，有助于保护群体完全和不可逆地脱落以响应氧气。

“似乎这是一个安全网，允许金属移动到它们对蛋白质更安全的地方，”Drennan说。

CALTECH的化学教授Douglas Rees将本文描述为“对迷人的集群转换过程的美好研究”。

“这些集群有矿物质的特征，可能认为它们会像摇滚一样稳定，”Rees没有参与研究。“相反，群集可以是动态的，这将赋予它们在生物环境中对其功能至关重要的属性。”

不是刚性的脚手架

这是在任何酶簇中曾经看到的最大的金属偏移，但在一些其他酶中已经看到较小的重排，包括在酶氮酶中发现的金属簇，其将氮气转化为氨。

“过去，人们认为这些集群真的是这些僵硬的脚手架，但在过去的几年之内就有越来越多的证据即将到来，他们不是真正的僵硬，”德伦南说。

研究人员现在正在尝试pu出细胞如何组装这些集群。Drennan说，了解如何有关这些集群如何工作，以及如何将它们的组装方式，以及它们如何受到氧气的影响。提出了一种利益，可以通过例如将二氧化碳转化为一氧化碳，然后将二氧化碳转化为乙酸盐，然后可以用作许多有用的含碳化合物的结构块。

“它比人们想象的更复杂。如果我们理解，那么我们有更好的机会真正模仿生物系统，“德伦南说。

该研究由国家卫生研究院和法国国家研究机构资助。