Bagaimana mikroba metanogenik mengelola elektron

Archaea metanogenik menggunakan sistem enzim canggih untuk hidup di lingkungan anoksik terbatas energi. Mekanisme hemat energi utama adalah bifurkasi elektron, suatu reaksi yang “membagi” energi dari sepasang elektron, menyebabkan salah satu elektron sangat berkurang dengan mengorbankan yang lain. Para peneliti dari Max Planck Institutes of Terrestrial Microbiology (Marburg) dan Biophysics (Frankfurt am Main) telah menemukan senyawa enzimatik besar ketertelusuran metanogenik yang mentransfer elektron langsung dari reaksi percabangan elektron menjadi karbon dioksida.₂ Turunkan dan instal. Wawasan rinci mereka ke dalam proses konversi energi yang efisien ini dapat membuka kemungkinan baru untuk pengembangan bioteknologi berkelanjutan.

Diperkirakan miliar ton metana diproduksi setiap tahun oleh mikroorganisme anaerob yang disebut archaea metanogenik. Karena metana adalah gas rumah kaca yang kuat, peningkatan konsentrasi metana di atmosfer mengancam kehidupan dan mata pencaharian. Di sisi lain, penangkapan metana yang diproduksi secara biologis melalui pencernaan anaerobik limbah dan air limbah dapat mewakili sumber bahan bakar terbarukan. Oleh karena itu, pemahaman tentang mekanisme metanogenesis mikroba berpotensi untuk merangsang dan mendukung upaya konservasi.

Archaea metanogenik berhasil bersaing dengan melakukan metanogenesis, salah satu langkah terakhir dari dekomposisi anaerobik nutrisi organik, seringkali dalam kondisi yang keras. Kebanyakan archaea metanogenik menghasilkan metana dari karbon dioksida (CO .).₂) dan gas hidrogen (H.).₂) melalui siklus metanogen, yang melibatkan beberapa reaksi enzimatik. Di habitat metanogenik yang khas, reaksi ini hanya melepaskan sejumlah kecil energi, sehingga metanogen membutuhkan sistem enzimatik yang sangat efisien untuk berkembang di lingkungan terbatas energi tersebut.

Sebuah langkah yang sangat kompleks dari siklus metanogen disebut percabangan elektron berbasis flavin (FBEB). Dalam reaksi ini, energi sepasang elektron dibagi, sehingga satu elektron berkurang lebih kuat dengan mengorbankan yang lain. Diasumsikan bahwa metanogen mentransfer elektron berenergi tinggi dari reaksi ini untuk memperbaiki karbon dioksida₂ Melalui protein pembawa elektron kecil, feroxin, berdifusi bebas ke dalam sel.

Anehnya, tim peneliti di MPI Terrestrial Microbiology (Marburg) dan MPI Biophysics (Frankfurt) telah menunjukkan bahwa pembawa elektron semacam itu tidak diperlukan untuk mentransfer elektron dari FBEB ke CO₂ diskon. Para peneliti memurnikan kompleks enzim yang terdiri dari formate dehydrogenase (Fdh), heterodoxylphide reductase (Hdr) dan formylmethanofuran (Fmd) dehydrogenase dari archaeon metanogenik Methanospirillum hungatei. Spesies ini, serta banyak metanogen lainnya, sering ditemukan di digester anaerobik yang mengolah limbah organik, seperti air limbah kota atau limbah industri.

Para peneliti menggambarkan fungsi kompleks enzim dengan tes enzim dan struktur diselesaikan dengan mikroskop cryo-elektron (cryo-EM). Struktur mengungkapkan bahwa enzim yang mengkatalisis langkah terakhir dan pertama dari siklus metanogen membentuk kompleks kolosal, sehingga secara langsung menghubungkan dua langkah, FBEB yang digerakkan oleh format dan reduksi CO._2, Tanpa menggunakan protein feroksin pembawa elektron yang dapat difusi.

“Analisis struktural kami mengungkapkan kompleks enzim yang sangat besar,” kata Tomohiro Watanabe, penulis utama studi tersebut. “Protein rantai transpor elektron, poliferedoksin, membentuk jalur konduktif yang mengarahkan elektron berenergi tinggi dari FBEB langsung ke CO.₂ Mengurangi, bukan oleh pembawa larut. Ini berarti ada sedikit kemungkinan kehilangan elektron berharga ini.”

Perbandingan struktural dan uji interaksi yang diterbitkan sebelumnya menunjukkan bahwa struktur orde tinggi kompleks Hdr dan Fmd seperti itu dapat menjadi umum di archaea metanogenik yang beragam. Struktur juga memberikan wawasan baru tentang mekanisme penyetelan FBEB. Penulis yang sesuai Bonnie Murphy menjelaskan bahwa “metode cryo-EM memungkinkan kita untuk menggunakan klasifikasi gambar untuk memecahkan struktur keadaan konformasi berbeda yang ada dalam sampel yang sama. Dalam kasus ini, kami menemukan bahwa dua keadaan kompleks yang berbeda berbeda dalam kelompok besar. rotasi bagian yang kita sebut ‘lengan bergerak’. Selama putaran antara dua keadaan ini, kolektor mengontrol aliran elektron masuk dan keluar dari situs FBEB.”

Bersama-sama, hasil ini membantu kita memahami bagaimana mengatur metabolisme energi di archaea metanogenik untuk efisiensi: dengan mengontrol aliran elektron masuk dan keluar dari FBEB dan dengan memungkinkan transfer langsung elektron berenergi tinggi ke CO.₂ Instalasi. Pengetahuan ini akan berguna dalam merancang strategi untuk mengurangi emisi gas rumah kaca, dan memungkinkan penerapan bifurkasi elektron yang lebih luas dalam bioteknologi.

Pencarian dipublikasikan di Sains.