Открытие исследовательской группы из Университета Арканзаса раскрывает фундаментальный механизм регуляции азотфиксации у метаногенов. Ученые обнаружили массивный белковый суперкомплекс, который действует как молекулярный выключатель фермента нитрогеназы. Это понимание открывает путь к созданию генетически модифицированных сельскохозяйственных культур, способных самостоятельно усваивать азот из атмосферы, что может помочь в значительном сокращении применения агрохимических азотных удобрений.
Азот критически необходим для существования жизни на Земле. Он служит фундаментальным строительным материалом, без которого невозможно формирование белков, ДНК, РНК и многих других жизненно важных компонентов живых клеток. Но хотя газообразный азот составляет почти восемьдесят процентов атмосферы нашей планеты, подавляющее большинство живых организмов не способны усваивать его напрямую из воздуха из-за чрезвычайно прочной тройной связи в его молекуле.
Однако некоторые микроорганизмы успешно решают эту проблему с помощью биологической фиксации азота — процесса, который превращает атмосферный газ в доступный для усвоения аммиак. Данную сложнейшую химическую реакцию осуществляет уникальный ферментный комплекс, называемый нитрогеназой. Понимание точного механизма действия этого фермента имеет важное значение для разработки более эффективного и экологически безопасного производства аммиака.
Масштабное исследование группы ученых из разных регионов США, которую возглавили специалисты из Университета Арканзаса, позволило детально изучить нитрогеназу и систему ее регуляции у строгих анаэробных метанообразующих микроорганизмов — метаногенов.
Применив метод высокоразрешающей криоэлектронной микроскопии, исследователи обнаружили, что нитрогеназа метаногена способна физически связываться со специфическими регуляторными PII-белками. В результате этого взаимодействия формируется массивный неактивный белковый суперкомплекс.
Этот недавно обнаруженный суперкомплекс функционирует как эффективный молекулярный выключатель, который полностью блокирует фиксацию азота в моменты, когда клетка испытывает дефицит энергии или питательных веществ.
Как только внешние условия улучшаются, внутренние сигналы, отражающие высокий уровень клеточной энергии, разрушают этот блок. Суперкомплекс распадается, активность фермента восстанавливается, и микроорганизм возобновляет фиксацию азота.
Более конкретно, показано, что у метаногена (Methanosarcina acetivorans) нитрогеназа связывается с регуляторными PII-белками (NifI), физически блокируя работу фермента и переводя его в неактивное состояние. Этот суперкомплекс реагирует на сигнальные молекулы (АТФ и 2-оксоглутарат), которые отражают уровень энергии и азота в клетке. Когда условия улучшаются, комплекс распадается, и фермент снова начинает фиксировать азот.
Ведущий автор исследования, профессор биологических наук Дэн Лесснер, отмечает, что данное открытие раскрывает совершенно новую, ранее неизвестную стратегию регулирования одной из важнейших биохимических реакций на Земле. Результаты этой фундаментальной работы были опубликованы в научном журнале Nature.
Значимость этого открытия трудно переоценить, поскольку биологическая фиксация азота лежит в основе мирового сельского хозяйства, глобального круговорота веществ и стабильности экосистем. Недостаток азота становится главным ограничивающим фактором для роста растений, даже если они получают в избытке солнечный свет, воду и углекислый газ. Без достаточного количества азота невозможно получить богатый урожай, необходимый для обеспечения пищей людей и домашних животных.
В настоящее время мировая агропромышленность полагается на химические азотные удобрения. Их производят на заводах методом Габера-Боша, где азот из атмосферы преобразуется в аммиак внутри реакторов под огромным давлением и при сверхвысоких температурах, что требует значительных затрат ископаемого топлива и энергии. Полученные удобрения вносят в почву полей, но большая их часть не усваивается растениями, а смывается дождями в ручьи и водоемы. Это приводит к эвтрофикации — бурному цветению водорослей, деградации водных экосистем, падению уровня кислорода и массовой гибели рыбы.
В отличие от энергоемких химических заводов, природный фермент нитрогеназа осуществляет то же самое превращение при стандартной температуре и нормальном атмосферном давлении. Именно поэтому раскрытие генетических и молекулярных механизмов его работы вызывает огромный интерес у науки.
Поскольку исследование американских ученых опирается на генетику, в перспективе полученную информацию можно будет использовать для переноса бактериальных и архейных генов нитрогеназы напрямую в геном важнейших сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза, пшеница или рис.
Проекты по созданию «самоудобряющихся» злаков (кукурузы, риса, пшеницы) путем внедрения бактериальных или архейных генов нитрогеназы (nif-генов) активно финансируются ведущими научными фондами. Главная сложность, которую как раз помогает решить исследование Лесснера — понять, как заставить этот фермент работать в клетках растений, где есть разрушительный для нитрогеназы кислород, и как им правильно управлять.
Дальнейшее развитие этих биотехнологических разработок позволит культурным злакам самостоятельно усваивать азот из воздуха, что кардинально снизит потребность в агрохимических удобрениях и повлечет за собой экономические, социальные и экологические выгоды для всего человечества.
Источник: University of Arkansas.
На графике вверху: репрезентативная криоэлектронно-микроскопическая карта суперкомплекса нитрогеназы с разрешением 3,16 Å. Внизу: Криоэлектронно-микроскопическая структура, выделяющая одну тетрамерную единицу NifDK, связанную двумя гетеротримерными комплексами NifI на обоих концах. Источник: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11116-z