Met arseen verontreinigd drinkwater is een groot gevaar voor de gezondheid, met chronische blootstelling die ziekten en kankers veroorzaakt. De Wereldgezondheidsorganisatie schat dat in Bangladesh, bijvoorbeeld, meer dan 5 miljoen mensen werden in 2009 blootgesteld aan met arseen verontreinigd drinkwater. arseen wordt in het water afgegeven door microben die ademen, of ademen, arseenhoudende verbindingen. Caltech-onderzoekers hebben nu de structuur bepaald van het bacteriële enzym dat arseenademhaling mogelijk maakt. Het werk is een belangrijke stap in de richting van het voorspellen van biologische invloeden op de mobilisatie van arseen in het milieu.

Het werk werd gedaan in het laboratorium van Dianne Newman, de Gordon M. Binder/Amgen hoogleraar biologie en geobiologie, de Allen V. C. Davis en Lelabelle Davis Leadership Chair van Caltech's Center for Environmental Microbial Interactions, en executive officer voor moleculaire biologie. Het verschijnt in een krant in het nummer van 13 augustus van Proceedings van de National Academy of Sciences .

Onder de giftige arseenbevattende verbindingen die drinkwater verontreinigen, bevinden zich arsenaten. Deze verbindingen worden vaak gevonden in verband met ijzermineralen in sedimentaire omgevingen. In deze vorm, arsenaten zullen waarschijnlijk niet oplossen in het grondwater dat door deze geologische afzettingen stroomt. Als bacteriën in deze omgevingen geen zuurstof meer hebben, ze kunnen een anaërobe modus aangaan en overgaan op arsenaat inademen. Daarbij, de microben veranderen arsenaat in arseniet, een vergelijkbare verbinding die veel beter oplosbaar is in water. Veel verschillende soorten bacteriën hebben dit vermogen, De sleutel hiervoor is een bepaald eiwit dat het Arr-enzymcomplex wordt genoemd.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van voormalig Caltech-student Nathaniel Glasser (Ph.D. '17) heeft nu de fysieke structuur van het enzym bepaald en de precieze moleculaire locaties waar het chemisch interageert met arsenaat.

Eiwitten zoals het Arr-complex zijn zo klein dat ze niet kunnen worden gezien met een optische microscoop. Dus, het Caltech-team wendde zich tot een techniek genaamd röntgendiffractie om de structuur van het enzym te onthullen. Het is belangrijk om te ontdekken hoe dit enzym precies is gestructureerd om zijn specifieke functies te begrijpen, vooral omdat er vergelijkbare eiwitten bestaan ​​die op verschillende manieren interageren met arseenverbindingen. Aanvullend, Glasser was in staat om het enzym te onderzoeken zoals geproduceerd door Shewanella-bacteriën - microben die daadwerkelijk arsenaatademhaling in de omgeving uitvoeren - in plaats van in het organisme dat gewoonlijk in het laboratorium wordt gebruikt voor bacteriële eiwitexpressie, Escherichia coli (E. coli). Hoewel E. colican arsenaatademhaling uitvoert en het Arr-enzymcomplex tot expressie brengt, Shewanella kan veel actievere eiwitten produceren.

De reden dat arsenaat giftig is voor mensen, is omdat het chemisch vergelijkbaar is met fosfaat, een noodzakelijke verbinding voor cellen om ATP te maken, de energievaluta van de cel. Als er teveel arsenaat aanwezig is, de cel begint dat op te nemen in plaats van fosfaat, het vermogen van de cel om ATP te maken te vernietigen. In dit onderzoek, Glasser en zijn collega's maten de activiteit van het Arr-enzym in aanwezigheid van verschillende fosfaatgehalten.

"In tegenstelling tot wat men zou verwachten, fosfaat stimuleert waarschijnlijk arsenaatademhaling in plaats van het te remmen in typische sedimentaire omgevingen in contact met grondwater. Als we weten hoe snel dit enzym werkt onder milieurelevante omstandigheden, zijn we een stap dichter bij het kunnen voorspellen hoeveel bacteriën op bepaalde plaatsen arseen in drinkwater kunnen mobiliseren. ", zegt Newman. "Dit onderzoek zal de crisis in Bangladesh niet oplossen, maar een betere kwantitatieve greep hebben op wat er gebeurt, is nuttig bij het oplossen van zowat elk probleem, en vooral belangrijk bij het aanpakken van een complex milieuprobleem waarbij veel factoren een rol spelen. Dit werk geeft nuttige informatie over een enzym dat, zo ver we weten, wordt gevonden in elke bacterie die arsenaat inademt."

Het artikel is getiteld "Structurele en mechanistische analyse van het arsenaat-respiratoire reductase geeft inzicht in arseentransformaties in de omgeving."