Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har upptäckt viktiga nya ledtrådar i mysteriet kring hur ett uråldrigt enzym kan omvandla koldioxid i atmosfären till biomolekyler, en naturlig process som kan vara till hjälp vid utvecklingen av nya metoder för att omvandla växthusgaser som koldioxid till användbara kemikalier.
Eftersom avskogning och användning av fossila bränslen orsakar att atmosfäriska gaser, såsom koldioxid (CO2), stiger till aldrig tidigare skådade nivåer, har många forskare vänt sig till forntida biologi för att hitta lösningar på hur man kan bekämpa obalansen av dessa gaser i atmosfären. Sedan livet uppstod på jorden har mikroskopiska organismer hittat sätt att omvandla atmosfärisk koldioxid (CO2) och koloxid (CO) till användbara biomolekyler.
Dessa organismer använder specialiserade biologiska katalysatorer, eller enzymer, för att ”fixera” dessa gaser till molekylära byggstenar. Forskare har varit särskilt intresserade av att förstå hur ett speciellt Ni-innehållande forntida enzym – acetyl-CoA-syntas (ACS) – tar upp koldioxid och koloxid och omvandlar dem till acetyl-CoA, som är en viktig biomolekyl som metaboliserar socker, lipider och proteiner inuti celler.
Detta sker i en process som kallas Wood-Ljungdahl-vägen (WLP), och ACS katalyserar det sista steget i denna serie biokemiska reaktioner. Men exakt hur detta enzym fungerar är fortfarande ett mysterium för forskarna trots årtionden av studier.
Det har framförts motstridiga hypoteser om vissa grundläggande aspekter av enzymets mekanism. Varje steg i den kemiska reaktionen sker snabbt, och de mellanliggande ämnena i reaktionsvägen är så kortlivade, syrekänsliga och instabila att det är svårt att karakterisera varje steg och förstå hela mekanismen.
I en studie ledd av Liviu Mirica, professor i kemi vid Illinois, och doktoranden Shounak Nath har forskarna skapat en syntetisk funktionell modell som efterliknar ACS och möjliggör en djupgående undersökning av enzymets mekanism, något som enligt forskarna inte har uppnåtts av någon tidigare syntetisk modell. Deras undersökning avslöjade fyra viktiga mekanistiska insikter – som beskrivs i detalj i deras nyligen publicerade artikel i Nature Communications – som är direkt relevanta för ACS-mekanismen.
De studerade i detalj de flesta av de organometalliska mellanprodukterna, inklusive en mycket sällsynt nickel-mellanprodukt, Ni(metyl)(CO).
Mirica och Nath förklarade att nyckeln till framgången med deras syntetiska modell är en speciell ligand som kallas iPr3tacn (1,4,7-triisopropyl-1,4,7-triazacyklononan) som bildar en bur runt nickelatomen och saktar reaktionshastigheten precis så mycket att de labila mellanprodukterna kan observeras direkt. Det gör också att vissa reaktioner kan ske både framåt och bakåt, vilket gjorde det möjligt för forskarna att karakterisera de kinetiska och termodynamiska parametrarna som är förknippade med molekylära omvandlingar.
Forskarna säger att den skrymmande tridentata iPr3tacn-liganden har rätt sterisk och elektronisk balans för att möjliggöra en lämplig bindningsplats för substrat och samtidigt stabilisera både hög- och lågvalenta Ni-mellanprodukter. Detta gör att systemet kan nå alla föreslagna steg i enzymmekanismen – något som inte har uppnåtts i andra syntetiska småmolekylmodeller. Viktigt är att andra modeller inte har kunnat observera den viktiga Ni(metyl)(CO)-mellanprodukt som Nath och Mirica har identifierat.
Enligt forskarna kan detta arbete vara nyckeln för forskare som vill utveckla nya och förbättrade katalysatorer för att binda koldioxid och kolmonoxid från luften till användbara molekyler. Genom att ha en fullständig förståelse för ACS:s steg och mellanprodukter kan forskare, enligt Mirica, konstruera syntetiska katalysatorer som utför samma omvandlingar som ACS med hjälp av nickel, som är ett metall som finns i rikliga mängder på jorden.
Nath genomförde denna studie under tre års tid och presenterade sitt arbete vid det sjätte symposiet om avancerad biologisk oorganisk kemi (SABIC-2024) i Kolkata, Indien. Nath säger att han fått positiv feedback från biokemister som i årtionden letat efter svar på hur ACS fungerar.
Nath säger att det var många från den biooorganiska forskarvärlden på postersessionen, däribland Steve Ragsdale, en av de forskare som var pionjärer inom studiet av detta enzym.
”Jag presenterade detta arbete för honom och han blev mycket entusiastisk”, säger Nath. ”Han var entusiastisk över att vi faktiskt kunde se mellanprodukten Ni(metyl)(CO), som han har letat efter under mycket lång tid i det naturliga enzymet.”
Mirica sa att denna forskning också är betydelsefull eftersom de katalytiska stegen i naturlig ACS-katalys som modelleras i deras syntetiska system i grunden är desamma som stegen i industriell produktion av kemikalier som Monsantos ättiksyraprocess. Katalysatorn i den industriella processen är rodium, en sällsynt och dyr ädelmetall, och Mirica hoppas att detta arbete kan tjäna som inspiration för konstruktion av nya industriella katalysatorer baserade på mer ekonomiska nickelkatalysatorer.
”Det finns ett stort intresse inom den kemiska industrin för att utveckla katalytiska processer som använder mer rikligt förekommande och billigare övergångsmetallkatalysatorer. Till exempel finns det en strävan att potentiellt utveckla en nickelbaserad omvandling av Monsantos ättiksyra”, säger Mirica.
”Detta är ett mycket intressant enzym ur ett grundläggande, organometalliskt perspektiv, vilket är något överraskande eftersom vi talar om organometallisk kemi i samband med ett biologiskt system. Om man tittar på de grundläggande stegen i den reaktion som katalyseras av detta enzym, efterliknar den faktiskt klassiska steg som ingår i nickelmedierade organometalliska omvandlingar”, säger Mirica.
Den syntetiska ACS-modell som forskarna har utformat är enkel och innehåller endast ett nickelatom som efterliknar det proximala nickelcentrumet (Np) i det aktiva centrumet där substraten binds. Att ha detta monometalliska 3-koordinatnickelcentrum med alla steg karakteriserade möjliggör vidare studier där forskarna kan spekulera om betydelsen av det distala nickelatomet (Nd) och andra metallatomer nära det aktiva centrumet i den naturliga ACS-mekanismen.
Nath säger att den största utmaningen var att arbeta med så känsliga föreningar och lära sig att hantera koloxid på ett säkert sätt.
”Många av dessa mellanprodukter är mycket luftkänsliga och har mycket olika termiska stabilitetsfönster. Det var därför den mest utmanande och spännande delen att ta reda på exakt vilka förhållanden som krävs för att varje mellanprodukt ska vara tillräckligt stabil för fullständig karakterisering och samtidigt kunna reagera vidare”, säger Nath.
Mer information: Shounak Nath et al, The mechanism of acetyl-CoA synthase through the lens of a nickel model system, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60163-z
