Een nieuwe studie werpt licht op een uniek enzym dat een milieuvriendelijke behandeling kan bieden voor met chloriet verontreinigde watervoorraden en de waterkwaliteit wereldwijd kan verbeteren.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Christian Obinger van de Universiteit van Wenen gebruikte neutronenanalyse in het Oak Ridge National Laboratory, röntgenkristallografie en andere technieken om het chlorietdismutase-enzym te bestuderen. Dit natuurlijk voorkomende eiwit kan chloriet afbreken, een industriële verontreinigende stof die in het grondwater wordt aangetroffen, drinkwater en bodems, in onschadelijke bijproducten, maar het katalytische proces ervan wordt niet goed begrepen. Begrijpen hoe het bacteriële enzym chloriet omzet in chloride en zuurstof zou mogelijkheden kunnen openen voor toekomstige toepassingen in bioremediatie en biotechnologie.

De resultaten, gepubliceerd in ACS Katalyse , dragen ook bij aan fundamenteel onderzoek naar het vermogen van het enzym om zuurstof te produceren. Zuurstofproductie is ongelooflijk zeldzaam in de natuur, ooit voor mogelijk gehouden door fotosynthese, dus de enzymatische activiteit van chlorietdismutase heeft belangstelling getrokken van de wetenschappelijke gemeenschap buiten de milieutoepassingen voor schoon water.

Precies hoe chlorietdismutase op moleculair niveau werkt om chloriet af te breken, is besproken sinds het enzym in 1996 werd ontdekt. ​​De complexiteit van de moleculaire structuur van het enzym en de moeilijkheid om eiwitten met experimentele methoden te bestuderen, vormen inherente uitdagingen voor onderzoekers.

Zoals de meeste enzymen, chlorietdismutase is een eiwit dat een zeer specifieke reactie katalyseert. Het proces is vaak milieuafhankelijk, wat betekent dat het het beste werkt binnen specifieke parameters, inclusief temperatuur, concentratie- en pH-bereiken. Het identificeren van de ideale parameters voor de reactie is de sleutel tot het ondersteunen van bio-engineering en grootschalige productie van chlorietdismutase om chloriet veilig uit de omgeving te verwijderen en mogelijk de zuurstofproductie van het enzym te benutten.

Het team isoleerde een niet-bestudeerde Cyanothece-stam van chlorietdismutase en onderzocht de kristalstructuur van het eiwit bij specifieke pH-waarden om de impact van de pH op de chlorietconversie te bepalen.

De onderzoekers gebruikten MaNDi, de macromoleculaire neutronendiffractometer, bundellijn 11-B bij de Spallation Neutronenbron, een Department of Energy User Facility bij ORNL, om unieke gegevens te verzamelen die alleen kunnen worden verkregen door het gebruik van neutronen.

"Verschillende eiwitkristallen hebben verschillende graden van symmetrie, die zal bepalen hoe we ze gaan meten. Dit kristal is ongebruikelijk omdat het weinig symmetrie heeft, dus een bijzonder groot aantal reflecties moet afzonderlijk worden geregistreerd om een ​​complete dataset te krijgen, " zei Leighton Coates, MaNDi Lead Instrument Scientist. "Dit zou overal een uitdagende en langdurige taak zijn, en het was alleen haalbaar in dit tijdsbestek vanwege de grote detectordekking van het MaNDi-instrument."

Op Mandi, onderzoekers waren in staat om de protoneringstoestanden van belangrijke aminozuren te detecteren waarvan gedacht werd dat ze de reactie ondersteunen. "Protonering" verwijst naar een fundamentele stap in katalyse waarbij waterstof zich aan moleculen hecht. "Dit is de belangrijke regio van het eiwit, waar de chemie plaatsvindt en het chloriet wordt afgebroken, ' zei Coates.

Protoneringstoestanden zijn niet gemakkelijk waar te nemen omdat ze waterstof, die moeilijk te detecteren is met röntgenstralen of andere technieken. In aanvulling, een fenomeen dat "fotoreductie" wordt genoemd, treedt op wanneer metaalbevattende enzymen zoals chlorietdismutase worden blootgesteld aan röntgenstralen, in wezen de atomaire structuur van het monster veranderen.

Omdat neutronentechnieken deze beperkingen niet hebben, ze kunnen onderzoekers belangrijke informatie geven die niet met andere methoden kan worden verkregen. "Neutronen zijn niet-destructief en gevoelig voor lichte elementen zoals waterstof, zodat ze exclusieve informatie kunnen geven over de atomaire structuur van eiwitten, die grotendeels bestaan ​​uit waterstofmoleculen, ’ legde Coates uit.

"En in tegenstelling tot röntgenstralen die gevoelige eiwitten kunnen beschadigen, neutronentechnieken stellen u in staat om bij kamertemperatuur gegevens te verzamelen over een ongewijzigd eiwit in zijn actieve toestand zonder de effecten van ioniserende straling en fotoreductie, " zei Coates. "Dit experiment benadrukt echt het voordeel van het gebruik van neutronen om eiwitten te bestuderen."