Methaan is een krachtig broeikasgas dat een centrale rol speelt in de wereldwijde koolstofcyclus. Tegelijkertijd, het is een belangrijke energiebron voor ons mensen. Ongeveer de helft van de jaarlijkse productie wordt gemaakt door micro-organismen die bekend staan ​​als methanogenen die organisch materiaal zoals dode planten afbreken. Dit gebeurt normaal gesproken in een habitat zonder zuurstof, aangezien dit gas dodelijk is voor methanogenen. Maar zelfs in feitelijk zuurstofvrije habitats, zuurstofmoleculen verschijnen af ​​en toe. Om deze indringers onschadelijk te maken, methanogenen bezitten een speciaal enzym dat zuurstof in water kan omzetten.

"Enzymen zijn vitale componenten van het metabolisme van alle levende organismen en het doel van ons laboratorium is om te begrijpen hoe deze nanomachines werken op moleculair niveau, " zegt Tristan Wagner van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie en eerste auteur van de studie, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Chemische communicatie in september 2020. Voor het onderzoek, Wagner kweekte een anaëroob micro-organisme genaamd Methanothermococcus thermolithotrophicus, die afkomstig is uit het sediment van de Golf van Napels. Hij zuiverde het enzym F420-oxidase, een flavodiijzer-eiwit, en kristalliseerde het uit, een veelgebruikte methode om de werking van enzymen te bestuderen.

"Het was al bekend dat F420-oxidase zuurstof kan omzetten in water, ", zegt Wagner. "Maar we zijn erin geslaagd om het mechanisme te ontcijferen." De studie is een samenwerking van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Mariene Microbiologie, het Max Planck Instituut voor Terrestrische Microbiologie, het Paul Scherrer Instituut, het Interdisciplinair Onderzoeksinstituut van Grenoble en de European Synchrotron Radiation Facility.

Zuurstof zit opgesloten

Het mechanisme, onthulden de onderzoekers, heeft een belangrijke eis:zuurstof is zeer reactief, het is dus cruciaal dat de reactie correct wordt gecontroleerd door het enzym en dat er geen oplosmiddelen rondzweven. Anders kan de zuurstof per ongeluk worden omgezet in superoxide en de anaërobe doden. De truc van het enzym F420-oxidase is het gebruik van een gaskanaal en een poortsysteem. Het zuurstofmolecuul wordt eerst in het specifieke kanaal naar een geschikte watervrije katalytische holte geleid die ijzer bevat. Vervolgens zet ijzer de zuurstof om in water dat vrijkomt door een poortmechanisme. Daarvoor begint de holte te bewegen en opent een kleine "deur". Dankzij de beweging het nieuw opgewekte water wordt naar buiten getransporteerd. De lege holte sluit zich weer en is beschikbaar voor het volgende zuurstofmolecuul.

Om inzicht te krijgen in dit mechanisme gebruikten de wetenschappers röntgenkristallografie. Ze verkregen eerst de kristalstructuur zonder zuurstof, waar ze de watervrije katalytische holte konden zien, geïsoleerd van het oplosmiddel. Vervolgens, ze vergassen de enzymkristallen met het inerte gas krypton, die, in tegenstelling tot zuurstof, zichtbaar gemaakt kunnen worden met röntgenstralen. Daarna bestraalden ze de enzymkristallen en konden ze krypton-atomen detecteren die het gaskanaal lieten zien dat naar de katalytische holte leidde. Het flavodiiron-eiwit en zijn kanaal zijn niet alleen geconserveerd in methanogenen, maar ook in andere micro-organismen zoals clostridia (die voornamelijk in de bodem of in het spijsverteringskanaal leven), in de zwavelbacterie Desulfovibrio gigas of zelfs in de darmparasiet Giardia intestinalis.

Hoe sneller hoe beter

"Deze reactie is echt snel, " zegt Sylvain Engilberge van het Paul Scherrer Instituut en eerste auteur van de studie naast Tristan Wagner. "Deze snelheid is ook het grote belang van ons onderzoek." Vergelijkbare enzymen zoals laccase zijn veel langzamer. "Voor toekomstige toepassing van bio-geïnspireerde elektrochemische processen, we moeten meer leren van de chemische reactie, structuur en functie van verschillende groepen zuurstofreducerende enzymen, ", zegt Engilberge. Het zou ook de weg vrijmaken voor eiwittechnologie om een ​​high-rate O2-detoxifier om te zetten in een elektronenput voor industriële processen.

"Onze volgende stap zou zijn om de diversiteit van flavodiiron-eiwit te begrijpen, ", zegt Tristan Wagner. Sommige homologen richten zich niet op zuurstof maar op het giftige stikstofmonoxide, hun enzymen kunnen onderscheid maken tussen beide gassen met een hoge specificiteit. Maar wat is het selectieve filter? Het gaskanaal? De omgeving van de katalytische holte? "Er moeten meer studies worden uitgevoerd om te begrijpen hoe het eiwit zuurstof en stikstofmonoxide discrimineert, ", voegt Wagner toe. Met zulke kennis, het zou bijvoorbeeld mogelijk zijn om op basis van genomische informatie te voorspellen of een flavodiiron-eiwit een zuurstof- of stikstofmonoxidevanger zou zijn.