Una svolta nella ricerca sul metano: decodificato il meccanismo di attivazione dell'enzima che produce metano
la pubblicazione su "Nature" rivela il legame evolutivo tra due processi biologici fondamentali
I ricercatori del Centro di Microbiologia Sintetica (SYNMIKRO) della Philipps-Universität Marburg e della TU Berlin hanno compiuto un importante passo avanti nella comprensione dell'attivazione della metil-coenzima M reduttasi (MCR), l'enzima responsabile di quasi tutta la produzione biologica di metano e uno degli enzimi più abbondanti sulla Terra. I risultati sono stati pubblicati su "Nature" e non solo gettano nuova luce su uno dei più antichi processi di produzione di energia in natura, ma rivelano anche un inaspettato legame evolutivo con la cosiddetta fissazione dell'azoto.
In questa prima fase del ciclo globale dell'azoto, i microrganismi assorbono l'azoto dall'aria e lo convertono in modo che gli organismi viventi possano utilizzarlo. "La ricerca di base nel campo dell'energia biologica e della conversione dei materiali ha un notevole potenziale per affrontare le sfide attuali, come il costante aumento del fabbisogno energetico dell'umanità e l'avanzare del cambiamento climatico", spiega il dottor Christian Lorent, coautore della pubblicazione su "Nature" e socio ricercatore del Cluster of Excellence Unifying Systems in Catalysis (UniSysCat), che ha sede presso la TU di Berlino.
Le due facce del gas serra
Gli archei metanogeni sono microrganismi che esistono da miliardi di anni e producono fino a un miliardo di tonnellate di metano ogni anno, ad esempio nello stomaco dei ruminanti o nelle zone umide. Sebbene il metano sia un potente gas serra che contribuisce al riscaldamento globale, la produzione biologica di metano ha anche un grande potenziale come fonte di energia rinnovabile attraverso la produzione di biogas in agricoltura. Una comprensione più approfondita dei meccanismi di base della formazione del metano può portare a progressi nelle tecnologie energetiche sostenibili e nella protezione del clima.
Una delle reazioni redox più impegnative
Il cuore della produzione biologica di metano è l'MCR, un enzima altamente specializzato il cui centro attivo contiene l'esclusivo coenzima F430. La funzione di questo cofattore dipende in modo cruciale da uno ione nichel centrale, che deve trovarsi nello stato di ossidazione Ni(1+) per catalizzare la produzione di metano. Tuttavia, l'attivazione del nichel in questo stato richiede il superamento di un notevole ostacolo energetico - una delle reazioni redox più impegnative in natura. Come le prime forme di vita abbiano gestito questa attivazione non è stato a lungo chiaro.
Nel loro studio, il team di ricerca è riuscito a isolare e caratterizzare il complesso di attivazione MCR dall'organismo modello Methanococcus maripaludis. "Abbiamo scoperto che una piccola proteina chiamata McrC, insieme ad altre proteine marker metanogeniche, attiva l'MCR in un processo dipendente dall'ATP e fornisce così l'energia necessaria per la produzione di metano", spiega Fidel Ramírez-Amador dell'Università Philipps di Marburgo, uno degli autori principali dello studio.
Le analisi spettroscopiche hanno fornito la prova mancante
I ricercatori sono riusciti a dimostrare che il meccanismo di attivazione richiede tre complessi metallici strutturati in modo unico e altamente specializzati, finora noti solo nella nitrogenasi, l'unico enzima in grado di convertire l'azoto atmosferico in forme biologicamente disponibili. "Le indagini spettroscopiche hanno fornito la prova mancante che questi cofattori sono costituiti da ferro e zolfo e sono probabilmente cruciali per il trasferimento di elettroni", spiega il dottor Christian Lorent. Il dottor Jan Schuller dell'Università Philipps di Marburgo, autore senior dello studio, aggiunge: "Questa sorprendente somiglianza suggerisce che questi sistemi hanno un'origine evolutiva comune nonostante abbiano funzioni completamente diverse. Il nostro studio stabilisce un legame evolutivo senza precedenti tra due processi biologici fondamentali: la metanogenesi e la fissazione dell'azoto".
"Le soluzioni più eleganti per la produzione di energia e i catalizzatori più efficienti sono stati ottimizzati evolutivamente in natura nel corso di milioni di anni. Il nostro compito di scienziati è quello di trovarle, comprenderle e applicarle", riassume il dottor Christian Lorent. Nell'ambito del Cluster di Eccellenza UniSysCat, sta ricercando i meccanismi di reazione e l'accoppiamento di vari metalloenzimi, che possono anche produrre idrogeno o legare il gas serra anidride carbonica, ad esempio.
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Pubblicazione originale
Fidel Ramírez-Amador, Sophia Paul, Anuj Kumar, Christian Lorent, Sebastian Keller, Stefan Bohn, Thinh Nguyen, Stefano Lometto, Dennis Vlegels, Jörg Kahnt, Darja Deobald, Frank Abendroth, Olalla Vázquez, Georg Hochberg, Silvan Scheller, Sven T. Stripp, Jan Michael Schuller; "Structure of the ATP-driven methyl-coenzyme M reductase activation complex"; Nature, 2025-4-16
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