Учёные из Бремена исследовали, как у глубоко-морского археона Methanocaldococcus infernus получается фиксирование азота при температурах, где большинство белков распадаются. В лаборатории Макса Планка по морской микробиологии удалось «обуздать» микроорганизм и заставить его фиксировать N2 при температурах выше 90 °C, что нехарактерно для известных вариантов азотеназ. Сам организм обитает в вулканических водах и в условиях, где vent fluids могут достигать жарких температур, превышающих точку кипения воды. Эти данные прямо вытекают из работ, описанных исследовательской группой под руководством Вагнера и его коллег. Упоминание активного состояния азотеназ в таких условиях и температурах подчёркивает, что фермент создан для работы в минусовых, но и жарких условиях, и что нитрогеназная система у этого археона может сочетать черты разных форм, включая молибденовую, ванладиановую и железосодержащую. Источники: 1, 2, 3, 5, а также общая информация о ключевой роли азотеназы.

Исследователи выделили азотеназу непосредственно из микроорганизма и обнаружили, что она необычайно устойчива к нагреву: белок начал разрушаться при 90 °C, но часть белковой структуры сохранялась даже при 98 °C. Ученым пришлось фиксировать активность только при высоких температурах, а не при комнатной, что позволило наблюдать состояния нитрогеназы, которые обычно трудно зафиксировать. Как отмечает Невена Маслач из MPI по морской микробиологии, такая устойчивость говорит о том, что этот фермент предназначен для работы в условиях, где большая часть белков быстро распадается, например как белок яйца при варке, и демонстрирует возможность изучать переходные стадии реакции разрыва N2.

Для детального анализа структура азотеназы была исследована без возвращения к глубине океана: сочетались физиология микроорганизмов, чистка нативного фермента, биохимия и структурная биология. Все этапы требовали строгого отсутствия кислорода, потому что кислород может повредить меловковый кофактор. Затем кристаллы фермента отправили в Институт биологии структур in Grenoble, где, используя синхротрон, учёные получили приближённое к атомарному разрешение изображение молекулярной структуры азотеназы. Выяснилось, что данная азотеназа представляет собой самый простой во всех изучавшихся образцах пример этого фермента и при этом объединяет структурные признаки трёх основных семей азотеназ: молибденовую, ванладиановую и железо-одиночную. Эти данные поддерживают гипотезу о том, что древние азотеназы ближе к этому археальному ферменту, чем к современным бактериальным версиям.

Учёные подтвердили наличие молибденового метакофактора в азотеназе, но параллельно их результаты принесли неожиданность: наблюдался ранее неперечисленный для подобных ферментов переходной состояние «turnover» в молибден-содержащей азотеназе, ранее фиксировавшееся только у ванладиановых и железо-одиночных форм. Открытие того же состояния в молибденсодержащем ферменте предполагает, что все формы азотеназ могут опираться на общий механизм расщепления молекулы N2. Это важный шаг к пониманию общего механизма реакции разрыва тройной связи азота.

Сценарий будущего исследования азотного цикла выходит за пределы океанических глубин: фиксация азота подобными микроорганизмами влияет на цикл углерода Земли, поскольку они переводят азот в аммиак и вместе с тем продуцируют значительную долю метана в атмосфере. Поскольку в будущем учёные могут рассмотреть эти системы как биологические платформы для преобразования газов в ценные продукты — аммиак и метан, с зелёной водородной энергетикой как источником энергии — обсуждается возможность прямого получения азота из атмосфирного N2 кривой через биологические механизмы. Вопрос о потенциальной пользе для сельского хозяйства остаётся на контурах разговоров: возможно crops смогут получать азот напрямую из атмосферного N2, снизив зависимость от промышленных удобрений и связанных с ними выбросов парниковых газов. Однако это остаётся гипотезой и подлежит дальнейшим исследованиям.