Новости

May 07, 2023

Строение и механизм действия алкана

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, Номер статьи: 2180 (2023) Цитировать эту статью

4666 Доступов

21 Альтметрика

Подробности о метриках

Алканы являются наиболее энергоемкой формой углерода и широко распространены в окружающей среде. Их трансформация микробами представляет собой ключевой шаг в глобальном углеродном цикле. Алканмонооксигеназа (AlkB), трансмембранный металлофермент, превращает алканы с прямой цепью в спирты на первом этапе микробиологической деградации алканов, тем самым играя решающую роль в глобальном круговороте углерода и биоремедиации нефти. Биоразнообразие AlkB объясняется его способностью окислять алканы с различной длиной цепи, в то время как отдельные AlkB нацелены на относительно узкий диапазон. Механизмы субстратной селективности и каталитической активности остаются неясными. Здесь мы сообщаем о крио-ЭМ структуре AlkB, которая обеспечивает четкую архитектуру мембранных ферментов. Наши структурные и функциональные исследования выявили неожиданную конфигурацию дижелезного центра и определили молекулярные детерминанты селективности субстрата. Эти результаты дают представление о каталитическом механизме AlkB и проливают свет на его функцию в микроорганизмах, разлагающих алканы.

Углеводороды распространены повсеместно. До 800 миллионов тонн выбрасывается каждый год в результате сочетания естественных выбросов, случайных выбросов в результате нефтяной промышленности и биологической активности цианобактерий1,2,3. Эти молекулы являются богатым источником пищи для бактерий, метаболизирующих углеводороды, и оказывают серьезное воздействие на экосистемы4,5. Соответственно, незаменимым этапом углеродного цикла является ферментативная трансформация жидких алканов, делающая их биологически полезными.

Бактерии, способные метаболизировать жидкие алканы, встречаются по всему миру: от экваториального региона6,7 до загрязненных нефтью заливов8 и богатых углеводородами нетронутых почв Арктики и Антарктиды7,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20,21,22. В этих средах основным ферментом, катализирующим окисление жидких алканов, является алканмонооксигеназа (AlkB). AlkB окисляет ряд алканов с прямой цепью и широко распространен у различных бактерий, которые используют алканы в качестве единственного источника углерода и энергии10,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37. Действительно, это был наиболее дифференцированный ген в микробном сообществе, которое быстро разрослось после разлива нефти Deepwater Horizon38.

AlkB принадлежит к суперсемейству мембранных десатураз жирных кислот (FADS), которое представляет собой группу негемовых дижелезомонооксигеназ, которые десатурируют или гидроксилируют жирные ацилалифатические цепи39. Отражая каталитическую пластичность мембранного FADS-подобного суперсемейства, AlkB избирательно гидроксилирует концевую метильную группу алканов с прямой цепью; другие члены семейства вводят либо двойные связи, либо гидроксильные группы в субстраты на основе липидов соответственно. Первое представление о структуре этих уникальных биокатализаторов дали структуры стеароил-КоА-десатуразы SCD1 млекопитающих и сфинголипид-α-гидроксилазы дрожжей Scs7p40,41,42,43. За исключением характерных мотивов, богатых гистидином, AlkB не имеет значительного сходства последовательностей или партнеров по переносу электрона с этими двумя семействами ферментов жирных кислот. Точная конфигурация дижелезного центра AlkB остается неясной. Функциональные AlkB также были идентифицированы в патогенных родах, таких как Mycobacterium Tuberculosis H37RV, штамм Legionella pneumophilia Philadelphia и Pseudomonas aeruginosa PAO131,36,44, что позволяет предположить, что AlkB может способствовать росту патогенов36. Было идентифицировано более 20 000 белковых последовательностей AlkB, что отражает его широкое распространение среди микроорганизмов.

Несмотря на фундаментальное значение AlkB для глобального углеродного цикла и здоровья человека, каталитический механизм AlkB остается загадочным, а структура фермента еще предстоит определить экспериментально. Центральные вопросы механизма остаются без ответа: какие особенности отличают AlkB от ферментов жирных кислот и позволяют ему избирательно гидроксилировать концевую метильную группу линейных алканов; какие особенности отличают один AlkB от другого, что, в свою очередь, наделяет все семейство удивительно широким диапазоном субстратов, что делает его краеугольным камнем в глобальном углеродном цикле. Нехватка информации оставила существенный пробел в нашем понимании того, как структура AlkB облегчает его функционирование, и сильно затруднила его применение в биотехнологии.