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Jun 01, 2023

그것은 매우 금속입니다: 과학자들은 니켈이 고대 화학 반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 확인했습니다

SLAC 과학자들은 니켈 원자가 완벽하게 배치된 탄소-금속 화합물이 이산화탄소를 식품 및 에너지 성분으로 변환하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 킴벌리 히콕 카본(Kimberly Hickok Carbon)

SLAC 과학자들은 니켈 원자가 완벽하게 배치된 탄소-금속 화합물이 이산화탄소를 식품 및 에너지 성분으로 변환하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

킴벌리 히콕

이산화탄소(CO2)는 기후 변화를 일으키는 가장 풍부한 온실 가스이지만 인간이 전례 없는 수준으로 대기에 방출하기 오래 전부터 지구상에 존재해 왔습니다. 따라서 행성의 초기 유기체 중 일부는 인간과 지구에 해로운 이 가스를 활용하고 활용하도록 진화했습니다.

Wood-Ljungdahl 경로라고 불리는 이러한 과정 중 하나는 산소가 없을 때만 발생하며 자연에서 가장 효율적인 탄소 고정 경로로 생각됩니다. 그러나 경로가 한 단계에서 다음 단계로 정확히 어떻게 진행되는지는 불분명합니다.

이제 에너지부 산하 SLAC 국립 가속기 연구소, 미시간 대학교, 노스웨스턴 대학교, 카네기 멜론 대학교 산하 스탠포드 싱크로트론 방사선 광원(SSRL)의 과학자들이 이전에 알려지지 않았던 Wood-Ljungdahl 경로의 내부 작용을 발견했습니다. 지난 달 미국 화학 학회지(Journal of the American Chemical Society)에 발표된 그들의 연구 결과는 지구상에서 가장 오래된 화학 반응 중 하나를 밝힐 뿐만 아니라 기후 변화 완화 노력을 위한 향상된 탄소 포집 기술로 이어질 수도 있습니다.

SSRL의 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 Macon Abernathy는 “이 연구 전에 우리는 Wood-Ljungdahl 경로가 유기체가 사용할 탄소를 생성하기 위해서는 이산화탄소에서 시작된다는 것을 알고 있었습니다.”라고 말했습니다. "그런 다음 CO2를 일산화탄소와 메틸 그룹으로 변환하고 일종의 화학 마법을 통해 이를 유기체가 사용할 수 있는 탄소 형태로 병합합니다."

수년 동안 과학자들은 이 경로가 금속-탄소 결합을 형성하는 일련의 니켈 기반 유기금속 중간체를 통해 작동한다고 가정했습니다. 구체적으로 연구자들은 CO 탈수소효소와 아세틸CoA 신타제(CODH/ACS)라고 불리는 두 개의 니켈-철-황 단백질 복합체에 중점을 두었습니다. 이는 이산화탄소를 건물을 위한 에너지 및 구조적 탄소로 전환하는 것을 촉매하는 주요 효소입니다. 세포벽과 단백질.

그러나 이 단백질과 이 경로가 출현했던 40억년 전 초기 지구와 같이 산소가 부족한 대기에서 효소 복합체를 정제해야 하기 때문에 이 가설을 확인하는 것은 까다로운 것으로 입증되었습니다. 게다가, 중간체 화합물은 불안정한 경우가 많아 반응이 빠르게 비활성화될 수 있습니다. 또한 CODH에 다른 니켈과 철 원자가 존재하면 본 연구의 목표인 ACS 연구를 방해합니다.

이러한 문제를 피하기 위해 연구원들은 CODH가 없는 보다 활동적인 ACS 전용 버전의 단백질을 개발했으며 SSRL에서 X선을 사용하여 금속과 효소 내부에서 작동하는 방식을 이해했습니다. 팀은 과학자들이 복합체(여기서는 ACS)의 금속에 의해 흡수되고 방출된 다음 다시 반사되는 빛의 간섭을 연구하는 기술인 X선 분광학을 적용하여 반응이 진행됨에 따라 변화하는 화학 결합을 식별합니다. .

간단히 말해서, 과학자들은 그들의 오랜 가설을 확인했습니다.

SSRL의 수석 과학자이자 해당 연구의 교신저자인 Ritimukta Sarangi는 “우리가 발견한 것은 효소의 단일 니켈 부위가 모든 재미있는 일을 하는 곳에서 진행되는 매우 복잡한 유기금속 화학이 있다는 것입니다.”라고 말했습니다.

연구팀은 효소가 철과 황 각각의 4개 원자에 결합된 2개의 니켈 클러스터를 가지고 있음에도 불구하고 반응은 항상 클러스터 내의 특정 니켈에서 일어난다고 미시간 대학 교수이자 교신저자인 스티브 래그스데일(Steve Ragsdale)이 말했습니다. 연구에. "일산화탄소, 메틸 그룹, 아세틸 그룹과 같은 탄소는 모두 철과 황에 가장 가까운 니켈에 결합하지만 다른 금속에는 결합하지 않는다는 것이 매우 분명합니다."