Esta idea es el resultado de la estrecha colaboración de varios grupos de investigación en el Instituto Max Planck de Microbiología Marina. Un equipo alrededor de Cedric Hahn y Gunter Wegener descubrió recientemente microbios que degradan el etano en los respiraderos hidrotermales de la cuenca de Guaymas a una profundidad de agua de2000 metros en el Golfo de California. Lo llamaron Ethanoperedens thermophilum, que significa "devorador de etano amante del calor". Cedric Hahn, estudiante de doctorado del grupo de investigación Ecología Molecular, cultivó los microbios que degradan el etano en el laboratorio. Hahn, Wegener yLos colegas del grupo de investigación Microbial Metabolism, Tristan Wagner y Olivier Lemaire observaron más de cerca estos microorganismos. Este trabajo colaborativo desentrañó los secretos detrás de la fijación del etano. "Quedamos asombrados por lo que encontramos. Además de una similitud global, algunas características delenzima difieren fundamentalmente de su contraparte, la enzima responsable de la degradación del metano ", dice Gunter Wegener, científico de la ReGrupo de búsqueda de tecnología y ecología de aguas profundas.
Los consumidores de etano dependen de la misma enzima que los consumidores de metano
En los sedimentos de aguas profundas, el calor geotérmico conduce a la degradación de la materia orgánica a petróleo y gases naturales como el etano. El etano es consumido por diferentes microorganismos que forman el llamado consorcio: arqueas, que descomponen el gas natural,y bacterias, que unen los electrones liberados en el proceso a la reducción del sulfato, un compuesto abundante en el océano. El descubrimiento de los microbios que comen etano ha traído un soplo de aire fresco a la investigación. En comparación con los microbios que comen metano que tomanMucho tiempo para crecer, los especialistas en etano crecen mucho más rápido y el doble cada semana. De esta manera, se reduce el tiempo de producción de biomasa, lo que permite intentos de purificación y caracterización de enzimas clave que catalizan la oxidación del gas natural.
Para probar las similitudes entre las enzimas que catalizan la activación del etano y el metano, Cedric Hahn agregó un conocido inhibidor molecular de la oxidación del metano a su cultivo. Este tratamiento también abolió la oxidación del etano. "Esto sugirió que las arqueas oxidantes del etano activan el etanoen reacciones enzimáticas similares a las que actúan en la degradación / generación de metano ", dice Cedric Hahn. Tales enzimas son una experiencia clave de Tristan Wagner, quien las estudió durante varios años.
Una estructura visualizada con un asombroso nivel de precisión
Cedric Hahn y Olivier Lemaire, los dos primeros autores del artículo ahora publicado en ciencia , luego trató de purificar la enzima responsable de la fijación de etano. "El proyecto fue un gran desafío", dice Olivier Lemaire. "Por lo general, purificamos las enzimas de cantidades mucho mayores de biomasa de un cultivo que contiene un microorganismo. Sin embargo, finalmente obtuvimoscantidades suficientes de enzimas puras para análisis estructurales ".
El siguiente paso crítico fue obtener cristales de la enzima para determinar su estructura tridimensional. "La cristalografía de rayos X dio excelentes resultados previos en este grupo de enzimas", dice Tristan Wagner, jefe del grupo de investigación de Metabolismo Microbiano y experto enEsta técnica. "Analizamos estos cristales por difracción de rayos X y resolvimos la estructura de la enzima con una resolución atómica sin precedentes. De este modo, podemos determinar la posición de los átomos individuales y obtener una imagen extremadamente precisa de la estructura".
La estructura exhibe varias características sin precedentes. "Notamos que la cámara catalítica en la que tiene lugar la reacción química es dos veces más grande que en las enzimas que capturan metano, lo que tiene sentido considerando que el etano es más grande que el metano", dice Olivier Lemaire.cofactor, catalizador de la reacción, contiene dos grupos metilo adicionales. Estos grupos metilo fueron confirmados por Jörg Kahnt del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, un experto mundial en este cofactor. "Encontramos una proteína que podría ser responsable de estas metilaciones,y sólo se encuentra en los consumidores de etano ", dice Cedric Hahn. Dado que la cámara es más voluminosa, un cofactor normal simplemente no encajaría correctamente y perjudicaría la reacción. Las metilaciones en el cofactor lo anclan en la posición correcta.
Además, la enzima contiene un túnel que conecta el exterior con la cámara catalítica. Este túnel no existe en ninguna enzima similar caracterizada. Los investigadores probaron experimentalmente la existencia de este túnel a través de una colaboración con Sylvain Engilberge en el Instituto Paul Scherrer en Suiza., donde los cristales de proteína fueron gaseados con xenón. Se detectó xenón en la cámara catalítica y el túnel de gas previsto, lo que demuestra su existencia. El túnel se mantiene y estabiliza mediante aminoácidos modificados y extensiones adicionales.
Ahora el foco se convierte en propano y butano
La estructura de la enzima ilustra cómo estos microbios de filtraciones geotérmicamente activas se especializaron en la captura de etano. Este trabajo permite una comprensión más profunda del primer paso en la degradación de etano, la única fuente de energía de estas arqueas. "Nuestro hallazgo que la enzima responsable deel proceso tiene rasgos específicos para reconocer el etano en lugar de otros alcanos es un gran paso adelante, sin embargo, la comprensión de todo el proceso de degradación aún está muy lejos ", concluye Tristan Wagner.
Entonces, ¿cómo proceder con la investigación? "Nuestros trabajos anteriores muestran que la activación de alcanos más largos requiere enzimas similares", dice Gunter Wegener. "Como siguiente paso, queremos investigar cuáles podrían ser las características específicas de las enzimas que catalizanla activación de propano y butano ".
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Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Microbiología Marina . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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