Plastik ve kimyasal hammaddelere yönelik mevcut talep, fosil yakıtlardan büyük ölçekli etilen üretimi yoluyla karşılanmaktadır. Bu durum yeni, yenilenebilir süreçlerin araştırılmasını zorunlu kılmaktadır. Bakteriyel enzimleri katalizör olarak kullanmak anahtar olabilir, ancak yalnızca birkaç doğal olarak oluşan enzim etilen oluşturma yeteneğine sahiptir. Bu enzimler tipik olarak enerji açısından zengin substratlara ihtiyaç duyar ve yan ürün olarak CO₂ üretir.
Bu nedenle, birkaç yıl önce, Rhodospirillum rubrum bakterisinde metiltiyo-alkan redüktaz enzimi keşfedildiğinde bilim camiası gerçekten heyecanlanmıştı. Bu enzim, bakterinin oksijensiz koşullar altında CO2 salmadan etilen üretmesini sağlar.2.
Özel enzimler: ‘Biyolojinin büyük kümeleri’
Bu sürecin oksijensiz doğası bir sorun teşkil ediyordu. Bu oksijene duyarlı metaloenzimlerin saflaştırılması ve işlenmesindeki önemli zorluklar nedeniyle, metiltiyo-alkan redüktaz yalnızca hücre kültürlerinde çalışılabildi ve bunların iç işleyişine ilişkin ayrıntılı bir anlayış yoktu. Biyoteknolojik potansiyeline ilişkin pek çok önemli soru hala cevapsız kalıyor: Enzimler bu reaksiyonu nasıl katalize edebilir ve bunu hangi özellikler belirler?
Johannes Rebelein liderliğindeki Marburg’daki Max Planck Karasal Mikrobiyoloji Enstitüsü’ndeki araştırmacılar, RPTU Kaiserslautern ile işbirliği içinde enzimi saflaştırmayı ve yapısını açıklamayı başardılar.
Katalitik, spektroskopik ve yapısal karakterizasyon heyecan verici bir keşfi ortaya çıkardı: Doktora öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarı Ana Lago-Maciel şöyle açıklıyor: “Reaksiyon, daha önce yalnızca Dünya üzerindeki en eski enzimlerden bazıları olan nitrojenazlarda meydana geldiği düşünülen büyük, karmaşık demir-kükürt kümeleri tarafından yönlendiriliyor.” Metiltiyo-alkan redüktaz, bu metal kümelerini içerdiği bilinen ilk nitrojenaz olmayan enzimdir.
Nitrojenazlar milyarlarca yıl önce atmosferdeki gaz halindeki nitrojeni azaltabilen, nitrojenin DNA ve protein gibi biyomoleküllere katılmasını sağlayarak onu yaşam için kullanılabilir hale getirebilen doğadaki tek enzim olarak ortaya çıktı. Bu eşsiz yetenek, büyük ve karmaşık demir-kükürt kümelerine dayanmaktadır. Nitrojenaz kümeleri, yapısal karmaşıklıkları ve jeokimyasal önemleri nedeniyle “biyolojinin büyük kümelerinden” biri olarak sınıflandırılır.
Daha sürdürülebilir bir plastik üretimi için planlar
Araştırma, jeokimyasal açıdan önemli bir hidrokarbon kaynağının biyokimyasal ve yapısal temelini sağlıyor. Rebelein, “Aslında enzim olağanüstü bir çok yönlülüğe sahip” diye açıklıyor. “Etilen, etan ve metan dahil olmak üzere bir dizi hidrokarbonu sürdürülebilir bir şekilde üretebilir.”
Enzimin substrat spektrumu nitrojenazlarınkinden çok farklıdır ve metal kümelerinin reaktivitesinin protein iskelesi tarafından nasıl belirlendiğini anlamak için yeni kapılar açar. Rebelein, “Çalışmamız, bu redüktazları biyoteknolojik olarak evcilleştirmek ve ürün yelpazesini ihtiyaçlarımıza uyarlamak için ihtiyaç duyduğumuz derinlemesine yapısal bilgiyi sağlıyor” diyor.
Sonuçların “büyük biyoloji kümelerinin” geçmiş evrimi hakkında ipuçları sağladığını ekliyor. “Sonuçlarımız, yapısal olarak benzer enzimlerin, nitrojenazların gelişmesinden çok önce bu kümeleri indirgeyici kataliz için kullandığını gösteriyor. Bu, Dünya tarihinin bu önemli kısmına dair anlayışımızda önemli bir değişimdir.”
