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Jun 01, 2023

Es ist so metallisch: Wissenschaftler bestätigen, dass Nickel eine Schlüsselrolle in einer alten chemischen Reaktion spielt

SLAC-Wissenschaftler zeigten, dass eine Kohlenstoff-Metall-Verbindung mit einem perfekt platzierten Nickelatom eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Komponenten für Nahrung und Energie spielt. Von Kimberly Hickok Carbon

SLAC-Wissenschaftler zeigten, dass eine Kohlenstoff-Metall-Verbindung mit einem perfekt platzierten Nickelatom eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Kohlendioxid in Komponenten für Nahrung und Energie spielt.

Von Kimberly Hickok

Kohlendioxid (CO2) ist das am häufigsten vorkommende Treibhausgas, das den Klimawandel verursacht, existierte jedoch auf der Erde, lange bevor der Mensch begann, es in beispiellosen Mengen in die Atmosphäre freizusetzen. Daher entwickelten sich einige der frühesten Organismen des Planeten, um dieses Gas, das ansonsten für Menschen und den Planeten schädlich wäre, nutzbar zu machen und zu nutzen.

Einer dieser Prozesse, der Wood-Ljungdahl-Weg, läuft nur in Abwesenheit von Sauerstoff ab und gilt als der effizienteste Kohlenstofffixierungsweg in der Natur. Doch wie genau der Weg von einem Schritt zum nächsten verläuft, ist bislang unklar.

Jetzt haben Wissenschaftler der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, der University of Michigan, der Northwestern University und der Carnegie Mellon University das bisher unbekannte Innenleben des Wood-Ljungdahl-Signalwegs entdeckt. Ihre Ergebnisse, die letzten Monat im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurden, werfen nicht nur Licht auf eine der ältesten chemischen Reaktionen auf der Erde, sondern könnten auch zu verbesserten Techniken zur Kohlenstoffabscheidung zur Eindämmung des Klimawandels führen.

„Vor dieser Studie wussten wir, dass der Wood-Ljungdahl-Weg zur Erzeugung von Kohlenstoff für die Nutzung durch Organismen mit Kohlendioxid beginnt“, sagte Macon Abernathy, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SSRL und Mitautor der Studie. „Dann wandelt es CO2 in Kohlenmonoxid und eine Methylgruppe um und verschmilzt sie durch eine Art chemischer Magie zu einer Form von Kohlenstoff, die vom Organismus genutzt werden kann.“

Seit Jahren postulieren Wissenschaftler, dass der Weg über eine Reihe von metallorganischen Zwischenprodukten auf Nickelbasis verläuft, die Metall-Kohlenstoff-Bindungen bilden. Konkret haben sich die Forscher auf einen Komplex aus zwei Nickel-Eisen-Schwefel-Proteinen namens CO-Dehydrogenase und Acetyl-CoA-Synthase (CODH/ACS) konzentriert, bei denen es sich um die primären Enzyme handelt, die die Umwandlung von Kohlendioxid in Energie und strukturellen Kohlenstoff für den Bau katalysieren Zellwände und Proteine.

Die Bestätigung dieser Hypothese erwies sich jedoch als schwierig, da der Enzymkomplex in einer sauerstoffarmen Atmosphäre gereinigt werden muss, wie sie vor vier Milliarden Jahren auf der frühen Erde herrschte, als diese Proteine ​​und dieser Stoffwechselweg entstanden. Darüber hinaus sind die Zwischenverbindungen oft instabil und die Reaktion kann schnell inaktiv werden. Darüber hinaus beeinträchtigt das Vorhandensein anderer Nickel- und Eisenatome im CODH die Untersuchung von ACS, dem Ziel dieser Studie.

Um diese Herausforderungen zu umgehen, entwickelten die Forscher eine aktivere, reine ACS-Version des Proteins – kein CODH – und verwendeten Röntgenstrahlen am SSRL, um seine Metalle und ihre Funktionsweise im Enzym zu verstehen. Das Team wandte Röntgenspektroskopie an, eine Technik, bei der Wissenschaftler die Interferenz von Licht untersuchen, das von den Metallen in einem Komplex – hier dem ACS – absorbiert, von diesen freigesetzt und dann zurückgeworfen wird, um sich verändernde chemische Bindungen zu identifizieren, während die Reaktionen stattfinden .

Kurzum: Die Wissenschaftler bestätigten ihre langjährige Hypothese.

„Wir haben herausgefunden, dass ein sehr komplizierter Teil der metallorganischen Chemie vor sich geht, bei dem eine einzelne Nickelstelle im Enzym all die lustigen Dinge erledigt“, sagte Ritimukta Sarangi, leitende Wissenschaftlerin am SSRL und korrespondierende Autorin der Studie.

Das Team erfuhr, dass das Enzym zwar über einen Cluster aus zwei Nickelatomen verfügt, die an jeweils vier Eisen- und Schwefelatome gebunden sind, die Reaktion jedoch immer an einem bestimmten Nickelatom innerhalb des Clusters stattfindet, sagte Steve Ragsdale, Professor an der University of Michigan und korrespondierender Autor über das Studium. „Die Kohlenstoffe wie Kohlenmonoxid, die Methylgruppe und die Acetylgruppe binden alle an das Nickel, das Eisen und Schwefel am nächsten liegt, und es ist ganz klar, dass sie sich an keines der anderen Metalle binden.“

Die Forscher bemerkten auch, dass das nickelhaltige Protein in jedem der Zwischenzustände große Veränderungen in seiner Struktur erfährt, sagte Ragsdale. „Das war etwas, das nicht wirklich Teil unserer ursprünglichen Hypothese war. Wir haben gerade darüber nachgedacht, dass die Grundchemie auf Nickel basiert. Aber dann sehen wir all diese anderen Veränderungen, die im Protein stattfinden, was ein wenig überraschend war.“

Obwohl die Forscher genaue Vorstellungen davon hatten, wie die Reaktion funktioniert, war es dennoch beeindruckend, sie in Aktion zu sehen, sagte Abernathy.

„Es ist eine so präzise Feinabstimmung der Natur, um zu diesem eleganten System zu gelangen, das diese Katalyse durchführt“, sagte Sarangi. „Ich liebe das einfach und unsere Fähigkeit, Röntgenspektroskopie zu nutzen, die ein äußerst leistungsfähiges Werkzeug ist, um herauszufinden, was in der Natur vor sich geht. SSRLs Strukturelle Molekularbiologie-Ressource verfügt über ein weltweit führendes biologisches Röntgenspektroskopieprogramm, das die Untersuchung solch komplexer biologischer Prozesse ermöglicht.“

Neben seiner Wertschätzung für die natürliche Schönheit des Wood-Ljungdahl-Pfades selbst sagte Ragsdale, er hoffe, dass die Forschung zum besseren Verständnis dieser natürlichen Prozesse und möglicherweise zur Verbesserung dieser Prozesse zu Methoden zur Eindämmung des Klimawandels und zur Entwicklung der Kohlenstoffabscheidung zur Herstellung chemischer Rohstoffe führen könnte und Kraftstoffe. „Ich denke, dass wir zuerst die grundlegende Biochemie hinter dem Prozess verstehen müssen“, sagte er, „bevor wir Fortschritte bei der Verbesserung einiger dieser Wege machen können, wie sie in der Natur vorkommen.“

SSRL ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. Die Forschung wurde vom DOE Office of Science finanziert. Die Strukturelle Molekularbiologie-Ressource des SSRL wird von den National Institutes of Health und dem DOE Office of Science finanziert.

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