Stikstof, een element dat essentieel is voor alle levende cellen, vormt ongeveer 78 procent van de atmosfeer van de aarde. Echter, de meeste organismen kunnen deze stikstof pas gebruiken als deze is omgezet in ammoniak. Totdat mensen industriële processen voor ammoniaksynthese uitvonden, bijna alle ammoniak op de planeet werd gegenereerd door microben die stikstofasen gebruikten, de enige enzymen die de stikstof-stikstofbinding in gasvormig distikstof kunnen verbreken, of N2.

Deze enzymen bevatten clusters van metaal- en zwavelatomen die helpen bij het uitvoeren van deze kritieke reactie, maar het mechanisme van hoe ze dat doen is niet goed begrepen. Voor de eerste keer, MIT-chemici hebben nu de structuur bepaald van een complex dat ontstaat wanneer N2 aan deze clusters bindt, en ze ontdekten dat de clusters de stikstof-stikstofbinding in verrassende mate kunnen verzwakken.

"Deze studie stelt ons in staat om inzicht te krijgen in het mechanisme waarmee je dit echt inerte molecuul kunt activeren, die een zeer sterke band heeft die moeilijk te verbreken is, " zegt Daniël Suess, de Class of '48 Career Development Assistant Professor of Chemistry aan het MIT en de senior auteur van de studie.

Alex McSkimming, een voormalig MIT-postdoc die nu een assistent-professor is aan de Tulane University, is de hoofdauteur van het artikel, die vandaag verschijnt in Natuurchemie .

Stikstof fixatie

Stikstof is een essentieel onderdeel van eiwitten, DNA, en andere biologische moleculen. Om stikstof uit de atmosfeer te halen, vroege microben ontwikkelden stikstofasen, die stikstofgas omzetten in ammoniak (NH3) via een proces dat stikstoffixatie wordt genoemd. Cellen kunnen deze ammoniak vervolgens gebruiken om complexere stikstofhoudende verbindingen te bouwen.

"Het vermogen om op grote schaal toegang te krijgen tot vaste stikstof is van groot belang geweest bij het mogelijk maken van de proliferatie van leven, " zegt Suess. "Distikstof heeft een heel sterke binding en is echt niet-reactief, dus chemici beschouwen het in feite als een inert molecuul. Het is een puzzel die het leven moest oplossen:hoe dit inerte molecuul om te zetten in bruikbare chemische soorten."

Alle stikstofasen bevatten een cluster van ijzer- en zwavelatomen, en sommige bevatten ook molybdeen. Aangenomen wordt dat distikstof aan deze clusters bindt om de omzetting naar ammoniak te initiëren. Echter, de aard van deze interactie is onduidelijk, en tot nu toe, wetenschappers waren niet in staat geweest om N2-binding aan een ijzer-zwavelcluster te karakteriseren.

Om licht te werpen op hoe stikstofasen N2 binden scheikundigen hebben eenvoudigere versies van ijzer-zwavelclusters ontworpen die ze kunnen gebruiken om de natuurlijk voorkomende clusters te modelleren. De meest actieve stikstofase gebruikt een ijzer-zwavelcluster met zeven ijzeratomen, negen zwavelatomen, een molybdeenatoom, en een koolstofatoom. Voor deze studie is het MIT-team heeft er een gemaakt met drie ijzeratomen, vier zwavelatomen, een molybdeenatoom, en geen koolstof.

Een uitdaging bij het proberen de natuurlijke binding van distikstof aan het ijzerzwavelcluster na te bootsen, is dat wanneer de clusters in een oplossing zijn, ze kunnen met zichzelf reageren in plaats van substraten zoals distikstof te binden. Om dat te overwinnen, Suess en zijn studenten creëerden een beschermende omgeving rond het cluster door chemische groepen, liganden genaamd, aan elkaar te hechten.

De onderzoekers bevestigden één ligand aan elk van de metaalatomen behalve één ijzeratoom, dat is waar N2 bindt aan het cluster. Deze liganden voorkomen ongewenste reacties en laten distikstof het cluster binnendringen en binden aan een van de ijzeratomen. Toen deze binding eenmaal plaatsvond, de onderzoekers konden de structuur van het complex bepalen met behulp van röntgenkristallografie en andere technieken.

Ze ontdekten ook dat de drievoudige binding tussen de twee stikstofatomen van N2 in verrassende mate is verzwakt. Deze verzwakking treedt op wanneer de ijzeratomen een groot deel van hun elektronendichtheid overdragen aan de stikstof-stikstofbinding, wat de binding veel minder stabiel maakt.

Clustersamenwerking

Een andere verrassende bevinding was dat alle metaalatomen in het cluster bijdragen aan deze elektronenoverdracht, not only the iron atom to which the dinitrogen is bound.

"That suggests that these clusters can electronically cooperate to activate this inert bond, " Suess says. "The nitrogen-nitrogen bond can be weakened by iron atoms that wouldn't otherwise weaken it. Because they're in a cluster, they can do it cooperatively."

The researchers' findings also confirmed that simpler versions of the iron-sulfur cluster, such as those they created for this study, can effectively weaken the nitrogen-nitrogen bond. The earliest microbes to develop the ability to fix nitrogen may have evolved similar types of simple clusters, Suess says.

Suess and his students are now working on ways to study how the more complex, naturally occurring versions of iron-sulfur clusters interact with dinitrogen.