Για την κάλυψη της τρέχουσας ζήτησης σε πλαστικά και χημικά βασικά υλικά, το αιθυλένιο παράγεται σήμερα σε μεγάλη κλίμακα από ορυκτά καύσιμα. Αυτό καθιστά αναγκαία την αναζήτηση νέων, ανανεώσιμων μεθόδων.

Η χρήση βακτηριακών μεταβολικών οδών θα μπορούσε να αποτελέσει μια λύση στο μέλλον, ωστόσο στη φύση είναι γνωστά μόνο λίγα ένζυμα που μπορούν να παράγουν αιθυλένιο. Αυτά συχνά χρειάζονται υποστρώματα υψηλής ενέργειας. Επιπλέον, απελευθερώνουν CO2 ως παραπροϊόν.

Η επιστήμη αντέδρασε με μεγάλο ενδιαφέρον όταν, πριν από μερικά χρόνια, ανακαλύφθηκε το ένζυμο μεθυλθειοαλκαν-αναγωγάση στο βακτήριο Rhodospirillum rubrum. Με τη βοήθεια αυτού του ενζύμου, το βακτήριο παράγει αιθυλένιο σε συνθήκες που δεν υπάρχει οξυγόνο, χωρίς να παράγεται CO2.

Ιδιαίτερα ένζυμα: τα "Great Clusters of Biology"

Το γεγονός ότι η παραγωγή λαμβάνει χώρα σε συνθήκες χωρίς οξυγόνο αποτελεί επίσης πρόβλημα: Λόγω των σημαντικών προκλήσεων που παρουσιάζει η καθαρισμός και ο χειρισμός των ευαίσθητων στον οξυγόνο μεταλλοενζύμων, η μεθυλθειοαλκαν-ρεδουκτάση μπορούσε μέχρι τώρα να μελετηθεί μόνο σε κυτταρικές καλλιέργειες.

Μέχρι τώρα δεν υπήρχε άμεση απόδειξη της δραστηριότητάς της εκτός του κυττάρου. Πριν από μια πιθανή βιοτεχνολογική χρήση, παραμένουν ανοιχτά πολλά σημαντικά ερωτήματα: Πώς λειτουργεί ο καταλυτικός μηχανισμός και ποιες ιδιότητες τον καθορίζουν;

Τώρα, ερευνητές του Ινστιτούτου Max Planck για την Χερσαία Μικροβιολογία στο Mαρβούργο, υπό την ηγεσία του Johannes Rebelein, σε συνεργασία με το RPTU στο Καιζερσλάουτερν έχουν καθαρίσει το ένζυμο και έχουν διασαφηνίσει τη δομή του.

Κατά τη διαδικασία αυτή, οι ερευνητές έκαναν μια συναρπαστική ανακάλυψη: "Η αντίδραση προκαλείται από μεγάλα, σύνθετα σύμπλεγματα σιδήρου-θείου, τα οποία μέχρι τώρα θεωρούταν ότι υπάρχουν μόνο στις νιτρογενάσες, τα παλαιότερα ένζυμα της Γης, εξηγεί η Ana Lago-Maciel, διδακτορική φοιτήτρια και πρώτη συγγραφέας της μελέτης. "Το ένζυμο είναι το πρώτο μη νιτρογενάση ένζυμο που είναι γνωστό ότι περιέχει αυτά τα σύμπλοκα μετάλλων."

Οι νιτρογενάσες δημιουργήθηκαν πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Είναι τα μόνα γνωστά ένζυμα που καθιστούν το αέριο άζωτο της ατμόσφαιρας διαθέσιμο για τη ζωή, επιτρέποντας την ενσωμάτωσή του σε βιομόρια όπως το DNA και οι πρωτεΐνες μέσω της αναγωγής του αζώτου.

Αυτή η μοναδική ικανότητα βασίζεται σε μια ιδιαιτερότητα: τα μεγάλα και σύνθετα σύμπλοκα σιδήρου-θείου. Λόγω της δομικής τους πολυπλοκότητας και της γεωχημικής τους σημασίας, τα μεταλλικά σύμπλοκα των νιτρογενάσεων ανήκουν στα λεγόμενα "Μεγάλα Σύμπλοκα της Βιολογίας".

Η εργασία αποκαλύπτει επίσης το βιοχημικό και δομικό υπόβαθρο μιας γεωχημικά σημαντικής πηγής υδρογονανθράκων. "Στην πραγματικότητα, το ένζυμο έχει μια αξιοσημείωτη ευελιξία και πολυπλευρικότητα", εξηγεί ο Johannes Rebelein, επικεφαλής του ερευνητικού προγράμματος. "Μπορεί να παράγει μια σειρά υδρογονανθράκων, εκτός από αιθυλένιο, επίσης αιθάνιο ή μεθάνιο."

Σχέδια για μια πιο βιώσιμη βιομηχανία πλαστικών

Το φάσμα υποστρωμάτων του ενζύμου, το οποίο είναι πολύ διαφορετικό σε σύγκριση με τις νιτρογενάσες, ανοίγει νέους ορίζοντες για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η δομή των πρωτεϊνών καθορίζει την αντιδραστικότητα των μεταλλικών συμπλεγμάτων. "Η εργασία μας παρέχει τη βάση για την βιοτεχνολογική εξημέρωση αυτών των ενζύμων και την προσαρμογή του φάσματος των προϊόντων τους στις ανάγκες μας", λέει ο Johannes Rebelein.

Επιπλέον, τα αποτελέσματα αποτελούν ένδειξη για την εξέλιξη και το ρόλο των "μεγάλων συμπλεγμάτων' στο παρελθόν. "Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι δομικά παρόμοια ένζυμα χρησιμοποιούσαν ήδη αυτά τα συμπλέγματα για αναγωγική κατάλυση πολύ πριν από την ανάπτυξη των ίδιων των νιτρογενάσεων. Αυτό αποτελεί μια δραματική στροφή στην κατανόησή μας για αυτό το κρίσιμο κομμάτι της ιστορίας της ζωής στη Γη".

Πηγές:
Ινστιτούτο Μax Planck

Ειδήσεις υγείας σήμερα
Ι. Βαρδακαστάνης: Το αναπηρικό κίνημα συνεχίζει να αγωνίζεται και να διεκδικεί
Ενδυνάμωση των ασθενών: Καμπάνια ευαισθητοποίησης για την ενίσχυση υιοθέτησης της περιτοναϊκής κάθαρσης στην Ελλάδα
Πνευμονία: Βακτηριακό ένζυμο είναι πιθανό να προκαλεί μοιραίες καρδιακές επιπλοκές [μελέτη]