Come un microrganismo degli abissi marini rompe i legami chimici più resistenti
Approfondimento molecolare sulla fissazione biologica dell’azoto in prossimità del punto di ebollizione
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I ricercatori dell’Istituto Max Planck di Microbiologia Marina e dell’Institut de Biologie Structurale hanno determinato la struttura e le caratteristiche molecolari di un enzima straordinariamente resistente al calore, in grado di trasformare l’azoto gassoso in ammoniaca. I loro risultati, pubblicati su *Nature Communications*, forniscono nuove informazioni su come la natura riesca a rompere il legame triplo dell’N₂, eccezionalmente forte, per generare questo importante fertilizzante e biocarburante.
Rompere uno dei legami chimici più resistenti in natura
I microrganismi sono in grado di compiere imprese straordinarie – ad esempio la fissazione dell’azoto, ovvero la conversione dell’azoto gassoso (N₂) in una forma utilizzabile dagli organismi. Sebbene l’azoto gassoso costituisca circa il 78 per cento dell’atmosfera terrestre, piante e animali non possono utilizzarlo direttamente. I due atomi di azoto sono tenuti insieme da una sorta di «supercolla»: un triplo legame chimico. Ma alcuni microrganismi possiedono un superpotere: sono in grado di fissare l’azoto rompendo questi legami e convertendo l’N₂ in ammoniaca, che può poi essere utilizzata per costruire molecole biologiche. Uno di questi supereroi è l’archeobatterio di acque profonde Methanocaldococcus infernus. Questo microrganismo vive nelle aree vulcaniche marine, dove le temperature dei fluidi che fuoriescono dai camini possono superare il punto di ebollizione dell’acqua.
Ciò ha suscitato la curiosità degli scienziati del laboratorio di Tristan Wagner presso l’Istituto Max Planck di Microbiologia Marina di Brema. Essi hanno “domato” questo microrganismo, costringendolo a fissare l’N₂ anche a temperature superiori ai 90 °C. «Come ci riescono, con un tale calore? E come può funzionare, in queste condizioni, l’enzima che rompe il triplo legame dell’azoto?», si è chiesto Wagner.
L’enzima che conferisce il superpotere di fissare l’N₂ si chiama nitrogenasi, un enzima che contiene il metallocofattore più complesso conosciuto in biologia. I metallocofattori sono molecole metalliche ausiliarie, legate a un enzima ed essenziali per la sua funzione. Le nitrogenasi più studiate e più efficienti possiedono un metallocofattore contenente molibdeno, ma ne esistono anche forme a base di solo vanadio e ferro. Il modo in cui queste diverse forme siano correlate tra loro e come esattamente i loro centri metallici consentano loro di rompere il triplo legame dell’N₂ rimane un’area di ricerca attiva.
Una straordinaria nitrogenasi progettata per condizioni estreme
«La nitrogenasi rinvenuta nel Methanocaldococcus infernus è straordinaria perché sembra condividere caratteristiche delle forme a base di molibdeno, vanadio e ferro. Questo tipo di nitrogenasi potrebbe essere simile a un antenato comune delle nitrogenasi, l’antico sistema da cui tutte si sono evolute. Pertanto, potrebbe fornire principi comuni nella reazione della nitrogenasi», afferma Wagner. I ricercatori sono riusciti a isolare la nitrogenasi direttamente dal microbo. Questo enzima si è dimostrato eccezionalmente stabile alle alte temperature, poiché la proteina inizia a disgregarsi solo a 90 °C e una parte di essa è sopravvissuta persino a 98 °C.
«Ciò dimostra che questo enzima è progettato per funzionare in condizioni in cui la maggior parte delle proteine si degraderebbe rapidamente, come l’albume d’uovo cotto in acqua calda», afferma la prima autrice Nevena Maslać dell’Istituto Max Planck di Microbiologia Marina. «Non è attivo a temperatura ambiente. Abbiamo invece dimostrato che produce ammoniaca solo ad alte temperature. La sua estrema stabilità ci ha permesso di studiare stati della nitrogenasi che di solito sono difficili da rilevare».
Metodi all’avanguardia per un’analisi molecolare
Per ottenere un quadro dettagliato di questa nitrogenasi non è stato necessario che i ricercatori si recassero nelle profondità marine, ma è stato comunque richiesto un vero e proprio tour de force che ha combinato fisiologia microbica, purificazione di enzimi nativi, biochimica e biologia strutturale — il tutto in condizioni rigorosamente prive di ossigeno per evitare danni irreversibili ai suoi metallocofattori.
A tal fine, i ricercatori hanno ottenuto l’enzima in forma cristallina e lo hanno studiato presso l’Institut de Biologie Structurale di Grenoble, in Francia. Qui hanno utilizzato il sincrotrone in loco — un acceleratore circolare di particelle che produce potenti raggi X. Innanzitutto, gli scienziati hanno svelato la struttura molecolare della nitrogenasi. Sono riusciti a ottenere un’immagine con risoluzione quasi atomica della nitrogenasi più semplice conosciuta fino ad oggi. Essa combina le caratteristiche strutturali di tutte e tre le famiglie di nitrogenasi conosciute: quelle a base di molibdeno, vanadio e ferro. Ciò avvalora l’ipotesi che le nitrogenasi ancestrali potessero essere più simili a questo enzima archeo che alle loro controparti batteriche. Successivamente, i ricercatori hanno voluto assicurarsi che la nitrogenasi contenesse il metallocofattore al molibdeno. «La nostra ricerca del molibdeno è stata tecnicamente estremamente impegnativa e ha richiesto agli esperti del sincrotrone di spingere il loro strumento ai limiti assoluti», afferma Wagner.
Alla fine, la misurazione non solo ha fornito il tipico segnale del molibdeno, ma ha riservato anche un’altra sorpresa: «Siamo rimasti sbalorditi nel osservare uno stato finora mai osservato in una nitrogenasi contenente molibdeno!» Fino ad ora, il cosiddetto stato di «turnover», che potrebbe rappresentare una fase intermedia della reazione, era stato rilevato esclusivamente nelle forme contenenti solo vanadio e ferro. L’osservazione di questo stato anche in un enzima a base di molibdeno suggerisce che la nitrogenasi segua universalmente lo stesso schema per scindere l’N₂.
Dalla chimica delle profondità marine alle biotecnologie del futuro
Una migliore comprensione della fissazione dell’azoto è importante ben oltre il semplice ambito delle profondità marine. I microrganismi fissatori di azoto come l’M. infernus non solo rendono disponibile l’azoto sotto forma di ammoniaca, ma svolgono anche un ruolo fondamentale nel ciclo del carbonio terrestre, generando metà del metano presente nell’atmosfera. In futuro, tali organismi potrebbero potenzialmente essere studiati come piattaforme biologiche per convertire i gas in prodotti utili, tra cui il metano e l’ammoniaca, utilizzando l’idrogeno verde come fonte di energia.
«E se un giorno le colture potessero ottenere azoto direttamente dall’N₂ atmosferico?», ipotizza Wagner. Ciò potrebbe rendere l’agricoltura meno dipendente dai fertilizzanti industriali. Oggi, la produzione di fertilizzanti attraverso il processo Haber-Bosch richiede una notevole quantità di energia ed è associata alle emissioni di gas serra, mentre l’uso eccessivo di fertilizzanti contribuisce all’eutrofizzazione e ad altri problemi ambientali. «Per ora, lo studio fornisce qualcosa di più fondamentale: una visione molecolare aggiornata di una delle reazioni chimiche più straordinarie della biologia».
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