ACS的活性位點 ， 新形成的乙?；c催化活性鎳結合，顯示為綠色 。來源:Macon Abernathy/SLAC國家加速器實驗室
據SLAC國家加速器實驗室（Kimberly Hickok）：二氧化碳(CO2)是導致氣候變化的最豐富的溫室氣體 ， 但早在人類開始以前所未有的水平將其釋放到大氣中之前，它就已經存在于地球上了 。因此 ， 地球上一些最早的生物進化來駕馭和利用這種對人類和地球有害的氣體 。
其中一個過程稱為Wood-Ljungdahl途徑，僅在缺氧時發生，被認為是自然界中最有效的固碳途徑 。但是這一途徑究竟是如何從一個步驟發展到下一個步驟的仍然不清楚 。
現在，能源部SLAC國家加速器實驗室、密歇根大學、西北大學和卡耐基梅隆大學的斯坦福同步輻射光源(SSRL)的科學家們發現了Wood-Ljungdahl途徑以前未知的內部工作方式 。
他們的發現上個月發表在《美國化學學會雜志》上 ， 不僅揭示了地球上最古老的化學反應之一，還可能導致改善碳捕獲技術，以緩解氣候變化 。
“在這項研究之前 ， 我們知道為了讓Wood-Ljungdahl途徑產生供生物體使用的碳，它從二氧化碳開始 ， ”SSRL的研究助理兼該研究的合著者Macon Abernathy說 。“然后，它將二氧化碳轉化為一氧化碳和甲基，并通過某種化學魔法將它們合并為一種可供生物體利用的碳形式 。”
多年來，科學家們假設該途徑通過一系列鎳基有機金屬中間體發揮作用 ， 這些中間體形成金屬-碳鍵 。具體來說，研究人員專注于兩種鎳-鐵-硫蛋白的復合物，稱為CO脫氫酶和乙酰輔酶a合酶(CODH/ACS)，它們是催化二氧化碳轉化為能量和結構碳以構建細胞壁和蛋白質的主要酶 。
但證實這一假設被證明是棘手的，因為酶復合物需要在缺氧的大氣中純化 ， 就像40億年前地球早期這些蛋白質和這條途徑出現時一樣 。此外，中間化合物通常不穩定，反應會很快變得不活躍 。此外，CODH中其他鎳和鐵原子的存在干擾了本研究的目標ACS的研究 。
為了規避這些挑戰，研究人員開發了一種更活躍的、僅含ACS的蛋白質版本——沒有CODH——并在SSRL使用X射線來了解它的金屬以及它們如何在酶內工作 。該團隊應用了X射線光譜學 ， 這是一種科學家研究光的干涉的技術，光被復合物(這里是ACS)中的金屬吸收，釋放 ， 然后反彈回來，以識別反應發生時變化的化學鍵 。
簡而言之 ， 科學家們證實了他們長期以來的假設 。
“我們發現，有一種非常復雜的有機金屬化學正在發生，酶中的一個鎳位點正在做所有有趣的事情，”SSRL大學的高級科學家、該研究的通訊作者Ritimukta Sarangi說 。
密歇根大學教授、該研究的通訊作者史蒂夫·拉格斯代爾(Steve Ragsdale)說，研究小組了解到，盡管這種酶有一個由兩個鎳組成的簇，分別與鐵和硫的四個原子相連，但反應總是發生在簇內的一個特定鎳上 ?！疤迹缫谎趸?、甲基和乙?；?，都與最接近鐵和硫的鎳結合，很明顯 ， 它們不與任何其他金屬結合 ?！?br>Ragsdale說，研究人員還注意到，含鎳蛋白質在每個中間狀態都會經歷結構上的重大變化 ?！斑@并不是我們最初假設的一部分 。我們只是在考慮鎳基的基礎化學 。但我們看到了蛋白質中發生的所有其他變化 ， 這有點令人驚訝 ?！?br>Abernathy說，雖然研究人員對反應如何進行有很強的想法，但看到它在行動中仍然令人印象深刻 。
“這是大自然如此精確的微調，以達到這種優雅的催化系統，”薩蘭吉說 ?！拔液芟矚g這一點，以及我們使用X射線光譜學的能力，這是一種非常強大的工具，可以用來了解自然界正在發生的事情 。SSRL的結構分子生物學資源擁有世界領先的生物X射線光譜學項目，能夠研究如此復雜的生物過程 。”
除了欣賞Wood-Ljungdahl路徑本身的自然之美，Ragsdale還表示，他希望通過研究更好地了解這些自然過程，或許還能加強這些過程，從而找到緩解氣候變化和開發碳捕獲技術以制造化學原料和燃料的方法 。“我認為，我們必須首先了解這一過程背后的基本生物化學，”他說，“然后我們才能在增強這些存在于自然界中的途徑方面取得進展 ?！?br/>

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