Complessità inaspettata dell'ammoniaca monoossigenasi negli archaea

The ISME Journal volume 17, pagine 588–599 (2023)Citare questo articolo

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Una correzione a questo articolo è stata pubblicata il 28 aprile 2023

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L’ossidazione dell’ammoniaca, come prima fase della nitrificazione, costituisce un processo critico nel ciclo globale dell’azoto. Tuttavia, manca la conoscenza fondamentale del suo enzima chiave, la monoossigenasi ammoniacale rame-dipendente, in particolare per gli archaea ossidanti l'ammoniaca (AOA) abbondanti nell'ambiente. Qui la struttura dell'enzima viene studiata mediante elettroforesi su gel nativo blu e proteomica da complessi di membrana nativi di due AOA. Oltre alle note subunità AmoABC e alla predetta AmoX, sono state identificate due nuove subunità proteiche, AmoY e AmoZ. Sono unici per AOA, altamente conservati e co-regolati, e i loro geni sono collegati ad altri geni della subunità AMO in genomi AOA semplificati. Gli approcci di modellazione e di reticolazione in gel supportano una struttura complessiva del protomero simile alla metano monoossigenasi del particolato batterico lontanamente imparentato, ma rivela anche chiare differenze nei domini extracellulari dell'enzima. Questi dati aprono strade per ulteriori studi struttura-funzione di questo complesso di nitrificazione ecologicamente importante.

La nitrificazione, la conversione dell'ammonio in nitrato, è un passaggio cruciale nel ciclo globale dell'azoto eseguito esclusivamente dai microrganismi. Il processo ha attirato particolare attenzione per la sua rilevanza agricola e ambientale. Il primo e limitante [1] passaggio della nitrificazione è l'ossidazione dell'ammoniaca attraverso il complesso proteico integrale della membrana ammoniaca monoossigenasi (AMO) [2, 3]. Sebbene i batteri ossidanti l'ammoniaca (AOB) siano stati scoperti per la prima volta oltre 125 anni fa [4] e siano stati ampiamente studiati, questo processo biologico è stato rilevato anche nel dominio archeologico negli ultimi 20 anni [5,6,7]. Gli archaea ossidanti l'ammoniaca (AOA) hanno guadagnato ampia attenzione poiché sono diffusi in natura e sono più abbondanti delle loro controparti batteriche nella maggior parte degli ambienti terrestri e marini, indicando ruoli importanti nel ciclo dell'azoto [8,9,10,11,12,13 ,14]. Il loro metabolismo centrale dell’azoto e del carbonio, tuttavia, è distinto da quello degli AOB [15,16,17,18]. In particolare, le subunità del complesso AMO mostrano solo circa il 40% di identità con quelle dei batteri [19] e le proteine ​​archeali che catalizzano la seconda fase dell'ossidazione dell'ammoniaca, cioè la conversione dell'idrossilammina in nitrito, sono ancora sconosciute [19,20,21] . Queste differenze implicano un’importante differenziazione funzionale nei loro ruoli ambientali che deve ancora essere chiarita.

A causa della difficoltà di far crescere organismi nitrificanti e dei problemi inerenti all'isolamento delle proteine ​​di membrana, non sono stati condotti con successo studi strutturali per alcun complesso AMO, batterico o archeologico. Ciò vale per la maggior parte dei diversi enzimi della famiglia delle proteine ​​CuMMO (monoossigenasi di membrana dipendente dal rame), con alcune eccezioni degne di nota. Le strutture cristalline [22,23,24,25,26] e le strutture crio-EM [27, 28] della metano monoossigenasi particellare (pMMO) di cinque metanotrofi hanno costantemente confermato un protomero a tre polipeptidi (subunità A, -B e - C) disposto in un trimero di configurazione α3β3γ3 con almeno due siti metallici conservati in ciascun protomero. Anche così, la delucidazione del sito attivo è rimasta ambigua. Inizialmente è stato proposto di risiedere nella subunità PmoB di pMMO [29]. Più recentemente, un'analisi crio-EM supporta il sito attivo principalmente coordinato da PmoA [27], mentre differisce nella conservazione degli aminoacidi in Verrucomicrobia [30], in una recente analisi spettroscopica [31] e nella mutagenesi di una monoossigenasi idrocarburica [32], suggeriscono la sua localizzazione nella subunità PmoC.

Sebbene nessuna struttura AMO sia stata determinata sperimentalmente, la modellizzazione dell’omologia per l’AMO del batterio Nitrosomonas europaea utilizzando pMMO come modello ha supportato una struttura omotrimerica nonché la conservazione dei siti di rame CuB e CuC [33]. Il complesso AMO archeologico è il parente più lontano di tutte le proteine ​​CuMMO [34, 35] e finora si sa molto poco sulla sua struttura o funzione. Sulla base della sola metagenomica comparativa, è stato suggerito che nel complesso potrebbe essere presente una subunità aggiuntiva, denominata AmoX [15, 36].