ХОУТОН, Мичиган - Исследователи из Мичиганского технологического университета изучают фермент, который используется для очистки окружающей среды и имеет большой потенциал для решения глобальной проблемы избытка нитратов и связанных с ними азотных питательных веществ в источники воды.
Фермент - нитратредуктаза - происходит из растений, где он играет центральную роль в усвоении нитратов и необходим для питания людей и животных.
Доктор. Уилбур Х. Кэмпбелл, профессор биохимии и молекулярной биологии и директор Исследовательского центра фитотехнологии Мичиганского технологического института, возглавляет группу студентов и аспирантов, а также научного сотрудника с докторской степенью, целью которого является определение структуры и функции нитратредуктазы. Они хотят создать трехмерную модель фермента, чтобы понять, как он работает.
Исследование Кэмпбелла в настоящее время финансируется за счет трехлетнего гранта в размере 300 000 долларов США от Национального научного фонда. Но на самом деле он занимается фундаментальными исследованиями нитратредуктазы уже более 20 лет благодаря грантам Национального научного фонда, Министерства сельского хозяйства США и Фонда передовых исследований штата Мичиган..
По словам Кэмпбелла, Нитратредуктаза присутствует практически в каждом растении на Земле и является очень эффективным ферментом, играющим важную роль в метаболизме азота в растениях. Проблема в том, что растениям не нужно много нитратредуктазы, чтобы выполнять свою работу, и поэтому природа не дает ученым достаточного количества фермента для проведения исследований, необходимых для определения того, как работает фермент и каков его полный потенциал..
Интересно, что нитратредуктаза играет роль в экологической биотехнологии, где она используется в качестве метода тестирования нитратов. Этот новый коммерческий метод определения содержания нитратов в воде был разработан небольшой биотехнологической компанией в Лейк-Линден, штат Мичиган, под названием Nitrate Elimination Co., Inc. Компания была основана Кэмпбеллом и его женой Эллен в 1993 году для производства нитратредуктазы с использованием процесс, который они лицензировали от Технологического института Мичигана. Исследования и разработка продуктов на основе нитратредуктазы финансировались за счет грантов на исследования в области инноваций для малого бизнеса от Агентства по охране окружающей среды, Министерства сельского хозяйства США и Министерства торговли штата Мичиган.
Экологические испытания на нитраты часто проводятся методами, основанными на тяжелых металлах, таких как кадмий и цинк. По словам Кэмпбелла, тестирование нитратов на основе нитратредуктазы заменяет эти старые методы, которые могут нанести вред окружающей среде, экологически безопасным методом, который безопаснее для человека, проводящего тест, и в то же время может быть более точным. Кроме того, небольшая компания Кэмпбеллов занимается исследованием и разработкой электронного детектора на основе ферментов для непрерывного мониторинга нитратов в воде в режиме реального времени и метода удаления нитратов из воды с помощью ферментов. Метод удаления нитратов может быть использован в домах и на предприятиях с водой, загрязненной нитратами, что сделает ее пригодной для питья или использования для производства продуктов питания и напитков.
«У нас нет способа сделать его достаточно, чтобы модифицировать белок фермента и изменить его аминокислоты, - говорит Кэмпбелл, - и именно такого рода исследования нам нужно провести, чтобы понять, как белок часть функций нитратредуктазы с ее кофакторами, которые включают флавин (витамин В-2), гемовое железо (как в гемоглобине) и молибдоптерин, который также является важным кофактором для здоровья человека. Все эти компоненты работают вместе, чтобы катализировать превращение нитрата к нитриту, но мы не знаем, как это работает на молекулярном уровне. Вот что мы хотим выяснить».
В попытке преодолеть фактор дефицита Кэмпбелл и другие исследовательские группы, подобные его, работают над разработкой процесса, который приведет к «рекомбинантной» экспрессии гена нитратредуктазы и предоставит ученым большое количество материал, необходимый для экспериментов.
«Это был пошаговый процесс, - объясняет Кэмпбелл. «Когда мы впервые начали рекомбинантную экспрессию нитратредуктазы, мы не могли производить целый фермент - теперь мы можем». Профессор Мичиганского технологического института работал со шведскими кристаллографами, которые кристаллизовали первую часть фермента, который был выработан бактерией в 1989 году. Это позволило им определить трехмерную структуру этого фрагмента нитратредуктазы, в которой находится флавин. полноценный фермент. Теперь они могут «увидеть» это с помощью компьютеризированной модели.
«Мы изучаем структуру фермента, чтобы понять, как он катализирует процесс восстановления нитратов», - говорит Кэмпбелл. «В ближайшие пару лет мы надеемся получить обширную информацию о кристаллической структуре, которая поможет нам разгадать загадку структура/функция. В конечном счете, нам нужно иметь возможность производить большое количество фермента для использования в этих экспериментах."
Кэмпбелл говорит, что рекомбинантный процесс позволяет ученым клонировать ген из растения, помещать его в вектор, который «позволяет нам манипулировать клонированным геном и помещать его в дрожжи, где промотор «запускается» метанолом и позволяет нам контролировать, когда ген экспрессируется. Конечным результатом является фермент, который очень похож на природную нитратредуктазу, с которой мы начали. Это дает нам возможность производить фермент, необходимый для исследований». Он также говорит, что это первый шаг к тому, чтобы сделать нитратредуктазу коммерчески доступной в очень больших масштабах, что сделает ее полезной для промышленности.
Успешное завершение исследований в Мичиганском технологическом институте приведет к получению полной и подробной картины структуры и функции нитратредуктазы и будет служить ориентиром для будущих исследований фермента, по словам Кэмпбелла. В целом, он считает, что его исследовательская программа является хорошим примером того, как фундаментальные исследования, даже эзотерического растительного фермента, приносят обществу потенциальную выгоду с точки зрения повышения качества жизни и, как правило, помогают доказать ценность фундаментальных исследований как инструмента. для повышения экономической конкурентоспособности Америки на новом глобальном рынке.