Azot gazı, Dünya atmosferinde bol miktarda bulunmasına rağmen, çoğu canlı organizma bu azotu kolayca kullanamaz. Sadece azot gazını parçalayarak amonyağa dönüştürebilen azotazlar olarak bilinen enzimlere sahip bir mikroplar alt kümesi bunu yapabilir.
Azot sabitleyen mikroplarda bulunan üç farklı azotaz sınıfı, içerdiği metal türlerine göre değişiklik gösterir. Molibden metalini içeren azotazlar en verimli olanlardır ve MIT'den gelen iki yeni çalışma bunun nedenini açıklamaktadır.
Araştırmacılar, bulguların, azot gazını amonyağa dönüştürebilen mühendislik enzimleri veya sentetik katalizörlerin tasarımına rehberlik edebileceğini söylüyor.
Takım, molibdenin doğrudan azota bağlanmadığını, ancak yakınlardaki demir atomlarının azota daha güçlü bir şekilde bağlanmasına yardımcı olduğunu buldu. Bu, azot gazını oluşturan iki azot atomu arasındaki bağı kırmanın kritik bir ilk adımıdır.
“O ilk bağlanma adımı gerçekten zor olan kısım. Azot-azot üçlü bağını kırmaya ve bazı yeni azot-hidrojen bağları oluşturmaya başladığınızda, geri kalan kısmı yapmak oldukça kolay,” diyor MIT Kimya Bölümü'nde Arthur Amos Noyes Doçenti olan ve her iki çalışmanın kıdemli yazarı Daniel Suess.
MIT doktora sonrası araştırmacısı Tong Wu ve eski doktora sonrası araştırmacı Madeleine Ehweiner, çalışmalardan birinin baş yazarıdır; diğerinin baş yazarı ise Alexandra Brown PhD ’23'tür. Cornell Üniversitesi'nden kimya profesörü Kyle Lancaster, Suess ile birlikte ikinci çalışmanın kıdemli yazarlarındandır. Her iki çalışma da bugün Chem dergisinde yayımlanmıştır.
Verimli enzimler
Mikroplar, yaklaşık 3 milyar yıl önce azotu sabitleme yeteneğini geliştirmeden önce, N2 atomları arasındaki güçlü üçlü bağ yalnızca yıldırım gibi yüksek enerjili olaylarla kırılabiliyordu.
“Dinitrojeni amonyağa dönüştüren bir enzim ortaya çıktığında, bu oyunu değiştirdi çünkü artık hücreler havadan azot toplayabiliyordu,” diyor Suess.
Azotazın aktif bölgesinde, genellikle demir, kükürt, karbon ve bazı durumlarda başka bir metalden oluşan bir katalitik ko-faktör bulunur. Molibden içeren ko-faktörlere sahip azotazlar en verimli olanlardır, ardından vanadyum içerenler gelir. Demir dışında başka bir metal içermeyen azotazlar ise en az verimli olanlardır.
Molibden içeren enzimin neden daha verimli olduğu bir muamma olmuştur, özellikle de molibdenin kendisinin doğrudan azot gazına bağlanmadığı düşünülmektedir.
“Tüm durumlarda, demirin N2 ile etkileşime girdiği düşünülüyor, bu yüzden bu biraz gizemli,” diyor Suess. “Eğer tüm kimya demirde gerçekleşiyorsa, neden bu molibden katalizi etkiliyor?”
Bu sorunun yanıtını bulmak için Suess'in laboratuvarı, doğal olarak oluşan ko-faktörleri modellemek için kullanabilecekleri daha basit demir-kükürt kümeleri geliştirdi. Bu kümeler, araştırmacıların bu metallerin ko-faktörlerin özelliklerini nasıl değiştirdiğini incelemelerine olanak tanıyan farklı metal atomları eklenerek değiştirilebilir.
İlk çalışmada, Wu ve Ehweiner liderliğindeki araştırmacılar farklı metal atomlarını değiştirdi ve ardından ko-faktördeki demirin azota bağlanma yeteneğini ölçtü. Sadece molibden veya tungsten gibi büyük bir metal atomuna sahip ko-faktörlerin N2'yi güçlü bir şekilde bağlayabildiğini buldular. Vanadyum, krom veya demir gibi daha küçük olanlarla, ko-faktörler N2'yi bağlayamadı ve bunun yerine başka reaksiyonlar gerçekleştirdi.
“O çalışma, biyolojide gördüğünüzü esasen tekrar ediyor; molibden içeren demir-kükürt kümelerinin, daha hafif metaller içerenlerden daha iyi dinitrojen bağladığı anlaşılıyor,” diyor Suess.
Elektron paylaşımı
İkinci çalışmada, Brown liderliğindeki araştırmacılar bu olguyu açıklayan olası bir mekanizma ortaya çıkardılar.
O çalışmada, araştırmacılar farklı metaller içeren ko-faktörlerin N-heterosiklik karbenler adı verilen bileşiklerle nasıl etkileşime girdiğini incelediler. Bu moleküller, bazı açılardan N2 ile benzer davranış sergileyerek bu tür bir çalışma için iyi bir model oluşturdular. N2 gibi, başka
