Исследователи из Корнеллского университета обнаружили способ, с помощью которого аммиак-окисляющие археи (AOA) — одни из самых распространенных микроорганизмов на Земле — производят закись азота, мощный и долговечный парниковый газ.
AOA обитают повсюду — в почве, воде, экстремальных средах и даже на человеческой коже. Раскрытие их химических процессов — важный шаг к пониманию химии изменения климата, отметил Кайл Ланкастер, профессор химии и химической биологии в Колледже искусств и наук (A&S).
«Эта химия кажется неотъемлемой частью жизнедеятельности AOA», — сказал он. «Люди потребляют сахар и выдыхают углекислый газ, а эти организмы выделяют закись азота. ».
По данным Агентства по охране окружающей среды США, закись азота составляет около 6% выбросов парниковых газов, вызванных деятельностью человека, тогда как углекислый газ — около 80%. Хотя ничего нельзя сделать с естественным производством закиси азота AOA, отметил Ланкастер, понимание механизма его образования заполняет важный пробел в общей химии климата и открывает путь к новым открытиям.
«Это биохимический процесс, распространенный по всему миру, который критически важен для поддержания хрупкого баланса, необходимого для жизни на планете», — добавил он.
Ланкастер является ведущим автором статьи «Производство закиси азота через ферментативный нитроксил у нитрифицирующей археи Nitrosopumilus maritimus», опубликованной 17 января в журнале «Proceedings of the National Academy of Science».
Докторант Роберт Воланд является первым автором работы; Эктор Абруня, профессор химии и химической биологии (A&S), и Хонгсен Ван, старший научный сотрудник лаборатории Абруня, также внесли свой вклад.
Нитрификаторы, включая AOA и аммиак-окисляющие бактерии (AOB), живут за счет окисления аммиака как основного источника энергии, пишут исследователи. Таким образом, они осуществляют ключевые преобразования в азотном цикле и играют важную роль в экосистемах, несмотря на то, что многие продукты и побочные продукты их метаболизма являются экологически и атмосферно значимыми загрязнителями, включая закись азота.
В ходе экспериментов, проведенных Воландом с белками вида AOA Nitrosopumilus maritimus, исследователи идентифицировали фермент, уникальный для AOA как по структуре, так и по генетике: Nmar_1354, тип мультикупрового оксидазы.
«Обнаружение этого фермента было интересным, потому что до этого момента не было известно о ферментах, содержащих медь, которые окисляют гидроксиламин», — отметил Воланд.
Он выяснил, что гидроксиламин, метаболит AOA, преобразуется этим ферментом в нитроксил, чрезвычайно реактивную молекулу, которая затем образует закись азота, парниковый газ, и азот, наиболее распространенный химический элемент в атмосфере Земли. Этот процесс объясняет, как AOA производят закись азота, и определяет механизм образования загадочного нитроксила.
«Нитроксил представляет большой интерес из-за своей высокой реактивности, что также затрудняет его изучение», — сказал Ланкастер. Он добавил, что нитроксил даже реагирует сам с собой, что в конечном итоге приводит к образованию закиси азота.
Сложности в исследовании связаны также с природой AOA, которые растут медленно, не достигают высокой плотности клеток и их трудно культивировать в лабораторных условиях.
Абруня и Ван использовали специальные инструменты для обнаружения малых молекул методом масс-спектрометрии.
«Масс-спектрометрия — важный инструмент в химии, но иногда трудно обнаружить молекулы с очень низкой массой», — пояснил Ланкастер. «К счастью для нас, у них есть установка, специально предназначенная для изучения продуктов окисления аммиака».
Вопрос о происхождении закиси азота от AOA и AOB остается предметом споров, отметил Ланкастер. В микробной экологии, изучающей взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой, некоторые исследователи утверждают, что эти реакции происходят абиотическим путем, без участия ферментов.
«Мы можем дискутировать об этом, но фермент существует, субстраты присутствуют, реакция происходит — значит, должен быть вклад фермента», — добавил Ланкастер. «Мы исходим из этой позиции, особенно учитывая, что эти белки — одни из самых распространенных у данных организмов».
https://phys.org/news/2025-01-pervasive-microorganism-generates-greenhouse-gas.html