Można powiedzieć, że azot jest dla roślin tym, czym benzyna dla samochodów. Jest podstawą ich wzrostu, motorem umożliwiającym tworzenie liści, łodyg i owoców.
Problem polega na tym, że to „paliwo” nie pochodzi bezpośrednio z powietrza, ale jest stale pozyskiwane za pomocą nawozów przemysłowych, co wiąże się z wysokimi kosztami środowiskowymi i konsekwencjami, które nie zawsze są widoczne.
Do tej pory azot powodował degradację gleby, miał wpływ na ekosystemy i powodował uzależnienie chemiczne, które warunkuje cały łańcuch pokarmowy. Dobrą wiadomością jest to, że badania naukowe mogą zmienić ten model i uczynić go samowystarczalnym.
Odkryto, w jaki sposób białko pozwala roślinom wiązać własny azot
Azot atmosferyczny jest najobficiej występującym gazem w powietrzu, ale dla większości organizmów żywych jest bezużyteczny. Rośliny wykorzystują go tylko wtedy, gdy pewne mikroorganizmy przekształcają go w związki przyswajalne. Zadanie to wykonują azotazy, enzymy bardzo wrażliwe na tlen, które przeprowadzają biologiczne wiązanie azotu.
Aby funkcjonować, enzymy te potrzebują złożonego kofaktora metalowego. Jego montaż wymaga precyzyjnej sekwencji kroków i udziału kilku białek. Jednym z najważniejszych jest NifEN, który działa jak molekularne rusztowanie, na którym kończy się ostatnia faza budowy kofaktora przed włączeniem go do aktywnej nitrogenazy, znanej jako NifDK.
Do tej pory wiadomo było, co robi NifEN, ale nie wiadomo było, jak to robi. Nowe badanie, opublikowane w Nature Chemical Biology, pokazuje, w jaki sposób proces ten pozwala samej roślinie uzyskać potrzebny jej azot, bez konieczności polegania na zewnętrznych źródłach. Pomysł wydaje się prosty, ale kryje w sobie ogromną złożoność biologiczną.
Jak naukowcy doszli do tego wniosku
Prace były prowadzone przez międzynarodowy zespół z Institut de Biologie Structurale we współpracy z CSIC, przy udziale Centrum Biotechnologii i Genomiki Roślin. Aby zaobserwować ten proces, wykorzystano mikroskopię elektronową kriogeniczną, technikę umożliwiającą zamrażanie białek w trakcie ich działania i analizowanie ich z niemal atomową rozdzielczością.
Obrazy pokazują, że NifEN nie jest strukturą sztywną. Białko otwiera się i zamyka, zmienia kształt i prowadzi prekursor kofaktora od powierzchni do wewnętrznej wnęki. Tam następuje jego dojrzewanie. Ten szczegół koryguje wcześniejsze hipotezy, które umiejscawiały ten proces na zewnątrz białka.
Ponadto zespół zidentyfikował pośrednie stany kofaktora w trakcie transportu, co stanowi bezpośredni dowód na to, że montaż odbywa się w sposób dynamiczny i kontrolowany. Zachowanie to wyjaśnia funkcjonalne rozdzielenie między NifEN, skupionym na budowie, a NifDK, zajmującym się wiązaniem azotu.
Dlaczego ten postęp w zakresie azotu jest ważny dla rolnictwa
Większość obecnych upraw jest uzależniona od nawozów azotowych produkowanych w procesie Habera-Boscha, który zużywa duże ilości gazu ziemnego. Jeśli roślina jest w stanie wiązać własny azot, fabryka ta przestaje być niezbędna.
Ma to bezpośredni wpływ na klimat. Produkcja i stosowanie nawozów powoduje uwalnianie dużych ilości podtlenku azotu, gazu o znacznie większym potencjale cieplarnianym niż dwutlenek węgla. Ograniczenie jego stosowania oznacza natychmiastową ulgę dla atmosfery.
Poprawia również stan rzek i oceanów. Nadmiar azotu jest wypłukiwany przez deszcz i powoduje eutrofizację, zjawisko niszczące ekosystemy wodne. Samowystarczalna roślina wykorzystuje potrzebny jej azot, nie powodując strat w środowisku
