I ricercatori di Marburg decodificano uno degli enzimi più grandi presenti in natura
La microscopia crioelettronica rivela come questo gigante da 8 megadalton stimoli la produzione di metano negli archei
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Un gruppo di ricerca dell’Università di Marburg ha studiato uno dei più grandi complessi enzimatici finora individuati in natura e ne ha decifrato la straordinaria struttura. Sotto la supervisione del Prof. Dr. Jan Schuller, la dottoranda Sophia Paul del Centro di Microbiologia Sintetica (SYNMIKRO) è riuscita a caratterizzare in dettaglio il cosiddetto super-assemblaggio dell’eterodisolfuro reduttasi. I risultati dello studio sono ora pubblicati sulla rivista Nature. Essi mostrano come un “gigante” molecolare composto da centinaia di elementi costitutivi consenta la produzione di energia nei microrganismi.
«Questo complesso enzimatico dimostra in modo impressionante come la natura abbia costruito complesse macchine molecolari per generare energia in modo efficiente in condizioni estreme. Ciò che ci entusiasma particolarmente è che non solo siamo riusciti a chiarire la struttura di questo enorme sistema, ma anche a osservare con quanta flessibilità i microrganismi adattino il loro metabolismo energetico all’ambiente circostante», afferma il Prof. Dr. Jan Schuller.
Il complesso enzimatico studiato è di dimensioni impressionanti: ha una massa molecolare di circa otto megadalton e un diametro di circa 50 nanometri. Ciò lo rende uno dei più grandi complessi enzimatici conosciuti. A titolo di confronto: molti enzimi, come quelli che forniscono energia alle cellule metabolizzando gli zuccheri, sono significativamente più piccoli, con una massa di circa 120 kilodalton. Il supercomplesso è costituito da un totale di 252 subunità proteiche e contiene più di 600 cosiddetti cofattori – piccoli componenti molecolari fondamentali per la funzione dell’enzima.
Grazie alla complessa organizzazione strutturale dei suoi numerosi componenti, il complesso enzimatico è in grado di collegare in modo efficiente diverse fasi di reazione. Ciò consente un trasferimento rapido e mirato di elettroni – un processo chiave per la produzione di energia in determinati microrganismi.
Una chiave molecolare per la formazione del metano
Il complesso è stato isolato dal microrganismo Methanococcus maripaludis. Questo appartiene al gruppo noto come archeobatteri metanogenici – organismi unicellulari in grado di vivere senza ossigeno e presenti in ambienti estremi. I loro habitat spaziano dalle sorgenti termali e dai sedimenti profondi agli ecosistemi salini, come le paludi salmastre della costa tedesca del Mare del Nord.
Questi microrganismi utilizzano l’idrogeno per convertire l’anidride carbonica (CO₂) in metano (CH₄). Insieme all’anidride carbonica, il metano è uno dei gas serra più significativi e contribuisce al riscaldamento globale. Una migliore comprensione della produzione biologica di metano aiuta quindi a valutare meglio il ruolo di tali microrganismi nei cicli globali del carbonio e nel contesto dei cambiamenti climatici.
Scoperta una sorprendente capacità di adattamento
Utilizzando la microscopia crioelettronica, il team di Marburg è riuscito non solo a visualizzare la struttura del complesso enzimatico, ma anche a identificare una caratteristica inaspettata: in circa il 18 per cento delle particelle esaminate, al posto di un’idrogenasi che utilizza l’idrogeno era incorporata una formiato deidrogenasi.
Questa osservazione dimostra l’elevata adattabilità dei microrganismi anaerobici. Se il loro ambiente cambia – ad esempio a causa della disponibilità limitata di idrogeno – essi possono sostituire in modo specifico i componenti del complesso e adattare così la loro produzione energetica. Oltre a studiare i complessi isolati in laboratorio, il gruppo di ricerca ha utilizzato anche la tomografia crioelettronica per analizzare gli enzimi direttamente nel loro ambiente naturale all’interno della cellula. I risultati mostrano che i super-assiemi si presentano in alta densità all’interno delle cellule e presumibilmente svolgono un ruolo centrale nel flusso di elettroni e nella produzione di energia nella via metabolica.
Lo studio fornisce quindi nuove informazioni sul funzionamento di un sistema biologico di dimensioni eccezionali e dimostra come i microrganismi si siano adattati a condizioni di vita estreme grazie a macchine molecolari altamente complesse.
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