Notizia

May 07, 2023

Struttura e meccanismo dell'alcano

Nature Communications volume

Nature Communications volume 14, numero articolo: 2180 (2023) Citare questo articolo

4666 accessi

21 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Gli alcani sono la forma di carbonio più ricca di energia e sono ampiamente dispersi nell’ambiente. La loro trasformazione da parte dei microbi rappresenta un passo fondamentale nel ciclo globale del carbonio. L'alcano monoossigenasi (AlkB), un metalloenzima che attraversa la membrana, converte gli alcani a catena lineare in alcoli nella prima fase della degradazione degli alcani mediata dai microbi, svolgendo così un ruolo fondamentale nel ciclo globale del carbonio e nel biorisanamento del petrolio. La biodiversità di AlkB è attribuita alla sua capacità di ossidare alcani di varie lunghezze di catena, mentre i singoli AlkB prendono di mira un intervallo relativamente ristretto. I meccanismi di selettività del substrato e di attività catalitica rimangono sfuggenti. Qui riportiamo la struttura cryo-EM di AlkB, che fornisce un'architettura distinta per gli enzimi di membrana. I nostri studi strutturali e funzionali rivelano una configurazione inaspettata del centro di ferro e identificano determinanti molecolari per la selettività del substrato. Questi risultati forniscono informazioni sul meccanismo catalitico di AlkB e fanno luce sulla sua funzione nei microrganismi che degradano gli alcani.

Gli idrocarburi sono onnipresenti. Ogni anno vengono rilasciate fino a 800 milioni di tonnellate attraverso una combinazione di infiltrazioni naturali, rilasci accidentali da parte dell'industria petrolifera e l'attività biologica dei cianobatteri1,2,3. Queste molecole rappresentano una ricca fonte di cibo per i batteri che metabolizzano gli idrocarburi e hanno un impatto notevole sugli ecosistemi4,5. Di conseguenza, un passo indispensabile nel ciclo del carbonio è la trasformazione enzimatica degli alcani liquidi per renderli biologicamente utili.

I batteri in grado di metabolizzare gli alcani liquidi si trovano in tutto il mondo, dalla regione equatoriale6,7 ai golfi colpiti dal petrolio8 fino ai terreni incontaminati e ricchi di idrocarburi nell'Artico e nell'Antartide7,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20,21,22. In questi ambienti, l'enzima primario che catalizza l'ossidazione degli alcani liquidi è l'alcano monoossigenasi (AlkB). AlkB ossida una gamma di alcani a catena lineare ed è diffuso in diversi batteri che utilizzano gli alcani come unica fonte di carbonio ed energia10,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37. In effetti, è stato il gene espresso in modo più differenziale nella comunità microbica che è cresciuta rapidamente dopo la fuoriuscita di petrolio della Deepwater Horizon38.

AlkB appartiene alla superfamiglia simile alla desaturasi degli acidi grassi di membrana (FADS), che rappresenta un gruppo di ferro monoossigenasi non eme che desaturano o idrossilano le catene acil alifatiche dei grassi39. Riflettendo la plasticità catalitica della superfamiglia di membrana simile a FADS, AlkB idrossila selettivamente il gruppo metilico terminale degli alcani a catena lineare; altri membri della famiglia introducono rispettivamente doppi legami o gruppi idrossilici nei substrati a base lipidica. Il primo sguardo alla struttura di questi biocatalizzatori unici è stato fornito dalle strutture della stearoil-CoA desaturasi SCD1 dei mammiferi e della sfingolipide α-idrossilasi Scs7p40,41,42,43 del lievito. Fatta eccezione per i caratteristici motivi ricchi di istidina, AlkB non condivide significative somiglianze di sequenza o partner di trasferimento di elettroni con queste due famiglie di enzimi di acidi grassi. L'esatta configurazione del centro di ferro di AlkB rimane poco chiara. AlkB funzionali sono stati identificati anche in generi patogeni, come Mycobacterium tuberculosis H37RV, Legionella pneumophilia ceppo Philadelphia e Pseudomonas aeruginosa PAO131,36,44, il che suggerisce che AlkB possa alimentare la crescita dei patogeni36. Sono state identificate più di 20.000 sequenze proteiche AlkB, che riflettono la sua diffusa distribuzione tra i microrganismi.

Nonostante la sua fondamentale importanza per il ciclo globale del carbonio e per la salute umana, il meccanismo catalitico di AlkB rimane misterioso e la struttura dell’enzima deve ancora essere determinata sperimentalmente. Le domande meccanicistiche centrali rimangono senza risposta: quali caratteristiche differenziano AlkB dagli enzimi degli acidi grassi e gli consentono di idrossilare selettivamente il gruppo metilico terminale degli alcani lineari; quali caratteristiche differenziano un AlkB da un altro, il che, a sua volta, dota l’intera famiglia di una gamma di substrati straordinariamente ampia che lo rende una pietra angolare nel ciclo globale del carbonio. La scarsità di informazioni ha lasciato una lacuna sostanziale nella nostra comprensione di come la struttura di AlkB faciliti la sua funzione e ha notevolmente ostacolato la sua applicazione alla biotecnologia.