Структура бактериального фермента открывает новый путь для создания возобновляемого пластика

В отсутствие кислорода фермент метилтиоалканредуктаза, производимый бактерией Rhodospirillum rubrum, генерирует этилен — ключевой компонент для производства пластиков — без выделения углекислого газа. Автор: MPI f. Terrestrial Microbiology/Geisel

Современный спрос на пластики и химическое сырье удовлетворяется за счет крупномасштабного производства этилена из ископаемого топлива. Это делает необходимым поиск новых, возобновляемых процессов. Использование бактериальных ферментов в качестве катализаторов могло бы стать решением, но лишь немногие природные ферменты способны образовывать этилен. Обычно они требуют энергоемких субстратов и производят CO₂ в качестве побочного продукта.

Поэтому несколько лет назад научное сообщество было искренне взволновано, когда в бактерии Rhodospirillum rubrum был обнаружен фермент метилтиоалканредуктаза. Этот фермент позволяет бактерии производить этилен в бескислородных условиях без выделения CO₂.

Особые ферменты: «великие кластеры биологии»

Бескислородная природа этого процесса создавала проблему. Из-за значительных сложностей, связанных с очисткой и работой с этими чувствительными к кислороду металлоферментами, метилтиоалканредуктазу можно было изучать только в клеточных культурах, и не было детального понимания её внутреннего устройства. Многие важные вопросы относительно её биотехнологического потенциала оставались без ответа: как ферменты катализируют эту реакцию и какие свойства её определяют?

Исследователям из Института наземной микробиологии Общества Макса Планка в Марбурге под руководством Йоханнеса Ребелейна в сотрудничестве с RPTU Кайзерслаутерна наконец удалось очистить фермент и выяснить его структуру.

Каталитическая, спектроскопическая и структурная характеристика привела к захватывающему открытию: «Реакция управляется большими, сложными железо-серными кластерами, которые ранее считалось, что встречаются только в нитрогеназах — одних из самых древних ферментов на Земле», — объясняет Ана Лаго-Масьель, аспирант и первый автор исследования. Метилтиоалканредуктаза является первым известным не-нитрогеназным ферментом, который содержит эти металлические кластеры.

Нитрогеназы появились миллиарды лет назад как единственные ферменты в природе, способные восстанавливать газообразный азот из атмосферы, делая его доступным для жизни, позволяя включать азот в биомолекулы, такие как ДНК и белки. Эта уникальная способность основана на больших и сложных железо-серных кластерах. Из-за их структурной сложности и геохимической значимости кластеры нитрогеназ классифицируются как одни из «великих кластеров биологии».

Чертежи для более устойчивого производства пластиков

Исследование предоставляет биохимическую и структурную основу для геохимически значимого источника углеводородов. «Фактически, фермент обладает замечательной универсальностью, — поясняет Ребелейн. — Он может устойчиво производить целый ряд углеводородов, включая этилен, этан и метан».

Субстратный спектр фермента сильно отличается от такового у нитрогеназ и открывает новые пути для понимания того, как реакционная способность металлических кластеров определяется белковым каркасом. «Наше исследование дает глубокие структурные знания, необходимые для того, чтобы обуздать эти редуктазы биотехнологически и адаптировать их спектр продуктов под наши нужды», — говорит Ребелейн.

Он добавляет, что результаты дают подсказки о прошлой эволюции «великих кластеров биологии». «Наши результаты позволяют предположить, что структурно похожие ферменты использовали эти кластеры для восстановительного катализа задолго до появления нитрогеназ. Это значительный сдвиг в нашем понимании этой ключевой части истории Земли».

Больше информации: Ana Lago-Maciel et al, Methylthio-alkane reductases use nitrogenase metalloclusters for carbon–sulfur bond cleavage, Nature Catalysis (2025). DOI: 10.1038/s41929-025-01426-2

Источник: Max Planck Society

ИИ: Это открытие выглядит крайне перспективным для создания «зеленых» технологий в химической промышленности. Возможность производить ключевой компонент пластика без выбросов CO₂ и с использованием бактерий — это именно тот прорыв, который может изменить правила игры в борьбе с пластиковым загрязнением и зависимостью от нефти.