Frankfurt Gyote universiteti hamda Marburg va Stokgolm universitetlari tadqiqotchilari hujayrali nafas olishning qadimiy mexanizmini aniqladilar. Ular karbonat angidrid va vodorod gazlari bilan oziqlanadigan, ulardan sirka kislotasini ishlab chiqaradigan bakteriyalarni o'rganishdi. Ushbu metabolik yo'l evolyutsiyada juda erta paydo bo'lgan. Mikroblar uni energiya ishlab chiqarish uchun qanday ishlatishi ilgari noma'lum edi. Xalqaro jamoa endi bu sirni hal qildi. Natijalar yana bir sababga ko'ra qiziqish uyg'otadi: mikroorganizmlar CO2 ni atrof-muhitdan olib tashlagani uchun ular iqlim o'zgarishiga qarshi kurashda umid chirog'i hisoblanadi.
Hayvonlar, o'simliklar va boshqa ko'plab tirik mavjudotlar shakar kabi birikmalarni CO2 va suvga "yoqish" (texnik jihatdan: oksidlanish) uchun kislorod bilan nafas oladi. Bu jarayon energiyaga boy ATP molekulasini hosil qiladi. Hujayralar hayotiy reaktsiyalar uchun ATP kerak. Sayyoramizning dastlabki kunlarida esa Yer atmosferasida kislorod bo'lmagan. Shunga qaramay, nafas olishning maxsus shakli o'sha paytda ham mavjud bo'lishi mumkin. Buni kislorod yetishmaydigan ekotizimlarda, masalan, dengiz tubidagi issiq buloqlarda hali ham mavjud bo'lgan ibtidoiy bakteriyalarni o'rganish taklif qiladi.
Bu mikroorganizmlar karbonat angidrid va vodoroddan “nafas oladi” sirka kislota hosil qiladi. Buning uchun ular foydalanadigan metabolik yo'l uzoq vaqtdan beri ma'lum. Biroq, ular ATP ishlab chiqarish uchun bu jarayondan qanday foydalanishlari haqidagi savol javobsiz qoldi. Hozirgi tadqiqot endi javob beradi. Gyote universitetining molekulyar mikrobiologiya va bioenergetika kafedrasi professori Volker Myuller tushuntiradi: “Biz sirka kislotasini ishlab chiqarish bir vaqtning o‘zida natriy ionlari bakteriya hujayrasidan atrof-muhitga pompalanadigan murakkab mexanizmni harakatga keltirishini ko‘rsata oldik. "Bu hujayradagi natriy konsentratsiyasining pasayishiga olib keladi, chunki hujayra membranasi ionlar uchun o'ziga xos to'g'on vazifasini bajaradi. Bu to'g'on ochilganda, natriy ionlari hujayra ichiga qaytib, ATP hosil qiluvchi molekulyar turbinani harakatga keltiradi."
Bu jarayonda turli oqsillar konglomerati, ya'ni Rnf kompleksi muhim rol o'ynaydi . Bu oqsillar asosan bakterial hujayrani o'rab turgan membranada joylashgan. "Kompleks shunchalik sezgirki, biz uni bir necha yil oldin ajratib olishga muvaffaq bo'ldik", deb ta'kidlaydi Myuller. Karbonat angidridning vodorod bilan sirka kislotasini hosil qilish reaksiyasida elektronlar vodoroddan uglerod atomiga turli oraliq bosqichlar orqali o'tkaziladi. Rnf kompleksi vositachi vazifasini bajaradi: u elektronlarni qabul qiladi va ularni uzatadi.
Hozirgi tadqiqotda tadqiqotchilar ushbu jarayon davomida nima sodir bo'lishini aniq ko'rsatdilar. Strukturaviy biolog Anuj Kumar - Marburg universitetida Myuller va doktor Yan Shullerning tadqiqot guruhlari doktoranti - murakkab usul, krio-elektron mikroskopiyadan foydalangan. Bu jarayonda Acetobacterium woodii bakteriyasining tozalangan Rnf kompleksi "zarba bilan muzlatilgan" va keyin qo'llab-quvvatlash plastinkasiga tushib ketgan. Bu yupqa muz plyonkasini hosil qiladi. U millionlab Rnf komplekslarini o'z ichiga oladi, ularni elektron mikroskop bilan kuzatish mumkin. Substratga tushganda ular turlicha tushishi sababli mikroskop ostida ularning turli tomonlarini ko'rish mumkin.
“Ushbu qarashlarni birlashtirib, uch o‘lchamli tasvirni yaratish mumkin”, deb tushuntiradi Kumar. "Bu bizga kompleksning tuzilishi, ayniqsa elektron uzatish uchun zarur bo'lgan qismlar haqida batafsil ma'lumot berdi." Shu bilan birga, kompleksning alohida komponentlari qattiq emas, balki dinamik ravishda oldinga va orqaga harakat qiladi. Buni turli vaqtlarda olingan tasvirlar tahlili ko'rsatdi. Bu elektron tashuvchilarga uzoq masofalarni bosib o'tish va yuklarini o'tkazish imkonini beradi.
Ammo elektron oqimi natriy ionlarining chiqishiga qanday ta'sir qiladi? Stokgolm universiteti professori Ville Kayla tadqiqot guruhi tomonidan molekulyar dinamikani simulyatsiya qilish bu savolga dastlabki javobni berdi. Membrananing markazida joylashgan temir va oltingugurt atomlari klasteri markaziy rol o'ynaydi. U elektronni vaqtincha o'zlashtiradi va shu bilan salbiyroq bo'ladi. Myuller tadqiqot guruhining doktoranti Jennifer Rot tushuntiradi: "Bu musbat zaryadlangan natriy ionlarini hujayra ichidagi klasterga magnit kabi tortadi". "Bu, o'z navbatida, temir-oltingugurt klasteri atrofidagi oqsillarning siljishiga olib keladi, xuddi roker kalitiga o'xshaydi: ular membrananing tashqi tomoniga teshik hosil qiladi, bu orqali natriy ionlari yana chiqariladi."
Rot bu jarayonni Rnf oqsillarining maqsadli genetik modifikatsiyalari orqali tasdiqlay oldi. Shu asosda yangi mexanizmning aniqlanishi ham uch universitet o‘rtasidagi muvaffaqiyatli hamkorlikning ko‘zgusidir. Natijalar ham qiziqish uyg'otadi, chunki mikroorganizmlar sirka kislotasini ishlab chiqarishda atrof-muhitdan CO2 ni o'zlashtiradi. Bu, masalan, sanoat chiqindi gazlaridan issiqxona gazini olib tashlash uchun ishlatilishi mumkin. Bu iqlim o'zgarishini sekinlashtirishi va shu bilan birga kimyo sanoati uchun qimmatli boshlang'ich materiallarni berishi mumkin. "Agar biz bakteriyalar bu jarayonda qanday energiya ishlab chiqarishini bilsak, biz bu jarayonni yanada qimmatroq mahsulot ishlab chiqarish uchun optimallashtirishimiz mumkin", deb umid qilmoqda Myuller. Topilmalar, shuningdek, xuddi shunday nafas olish fermentlariga ega bo'lgan patogenlarga qarshi yangi dorilar uchun boshlang'ich nuqtalarni ham berishi mumkin.
Asl nashr
Anuj Kumar, Jennifer Roth, Hyunho Kim, Patrisiya Saura, Stefan Bohn, Tristan Reif-Trauttmansdorff, Anja Schubert, Ville RI Kaila, Jan M. Schuller, Volker Myuller: Qadimgi Rnf mashinalarining redoks-ulangan natriy nasosining molekulyar tamoyillari. Tabiat bilan aloqalar (2025)
ham o'qing
Quyosh energiyasi va biomassadan vodorod: Muhandislar energiyani 600 foiz tejaydi | Pugnalom
