Derin denizlerde yaşayan bir mikrop, çoğu proteini yok edecek sıcaklıklarda atmosferdeki azotu amonyağa dönüştürmek için son derece ısıya dayanıklı bir enzim kullanıyor. Enzimin sıra dışı yapısı ve ilk kez gözlemlenen bir tepkime hali, azot fiksasyonunun arkasındaki kadim ve ortak mekanizmayı aydınlatabilir; bu da gelecekte daha temiz biyoteknoloji ve gübre üretimine ilham verebilir.
Mikroorganizmalar olağanüstü kimyasal işlemler gerçekleştirebiliyor. Bunlardan biri, azot gazını (N₂) canlıların kullanabileceği bir forma dönüştüren azot fiksasyonu. Azot, Dünya atmosferinin yaklaşık yüzde 78'ini oluşturuyor; ancak N₂ molekülündeki iki azot atomu son derece güçlü bir üçlü kimyasal bağla birbirine bağlı olduğu için bitkiler ve hayvanlar bu gazı doğrudan kullanamıyor.
Bazı mikroorganizmalar bu sorunu aşmanın yolunu evrimle bulmuş durumda. Bu güçlü bağı kırıp N₂'yi amonyağa dönüştürebiliyorlar; amonyak da biyolojik moleküllere dahil edilebiliyor. Bu canlılardan biri, volkanik deniz ortamlarında yaşayan ve bacalardan çıkan sıvıların suyun kaynama noktasının üzerine çıkabildiği derin deniz arkeası Methanocaldococcus infernus.
Bremen'deki Max Planck Deniz Mikrobiyolojisi Enstitüsü'nde Tristan Wagner'in laboratuvarında çalışan araştırmacılar, bu canlının bu kadar aşırı koşullarda azot fiksasyonunu nasıl gerçekleştirdiğini anlamak istedi. Ekip, mikrobu laboratuvarda "evcilleştirmeyi" ve 90°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda N₂ fiksasyonu yaptırmayı başardı.
Wagner kendine şu soruyu soruyordu: "Böylesi bir sıcaklıkta bunu nasıl başarıyorlar? N₂ üçlü bağını kıran enzim bu koşullarda nasıl çalışabiliyor?"
Bu yeteneğin arkasındaki kilit enzim nitrogenaz. Bu enzim, biyolojide bilinen en karmaşık metallokofaktörü barındırıyor. Metallokofaktörler, enzimlere bağlanan ve aktiviteleri için vazgeçilmez olan metal içeren yardımcı moleküller.
En kapsamlı şekilde incelenen ve en yüksek performanslı nitrogenazlar, molibden temelli bir metallokofaktör içeriyor. Diğer türler ise vanadyum ya da yalnızca demir kullanıyor. Bilim insanları hâlâ bu farklı nitrogenazların birbirleriyle nasıl akraba olduğunu ve metal merkezlerinin son derece güçlü N₂ üçlü bağını kırmayı nasıl mümkün kıldığını çözmeye çalışıyor.
Wagner, "Methanocaldococcus infernus'ta bulunan nitrogenaz dikkat çekici, çünkü molibden, vanadyum ve demir formlarının özelliklerini bir arada taşıyor gibi görünüyor. Bu nitrogenaz türü, hepsinin evrimleştiği ortak bir nitrogenaz atasına benziyor olabilir. Dolayısıyla nitrogenaz tepkimesine dair ortak ilkeleri ortaya koyabilir" diyor.
Ekip, nitrogenazı doğrudan mikroorganizmadan izole etmeyi başardı ve enzimin ısıya alışılmadık derecede dayanıklı olduğunu gördü. Protein ancak 90°C'de parçalanmaya başladı; bir kısmı 98°C'de bile bozulmadan kaldı.
Makalenin birinci yazarı, Max Planck Deniz Mikrobiyolojisi Enstitüsü'nden Nevena Maslać, "Bu, enzimin çoğu proteinin hızla bozunacağı koşullarda çalışmak üzere tasarlandığını kanıtlıyor; tıpkı sıcak suda pişen yumurta akı gibi" diyor. "Enzim oda sıcaklığında aktif değil. Amonyağı yalnızca yüksek sıcaklıklarda ürettiğini gösterdik. Aşırı kararlılığı sayesinde, normalde yakalanması zor olan nitrogenaz hallerini inceleyebildik."
Araştırmacılar enzimi ayrıntılı incelemek için derin denize geri dönmek zorunda kalmadı. Bunun yerine mikrobiyal fizyoloji, doğal enzim saflaştırma, biyokimya ve yapısal biyolojiyi bir araya getirdiler. Oksijen nitrogenaz metallokofaktörlerine kalıcı zarar verebildiği için her adımın tamamen oksijensiz koşullarda gerçekleştirilmesi gerekiyordu.
Ekip enzimi kristalleştirdi ve Fransa'nın Grenoble kentindeki Yapısal Biyoloji Enstitüsü'nde inceledi. Burada, güçlü X-ışınları üreten halka biçimli bir parçacık hızlandırıcısı olan senkrotronu kullandılar.
Bu sayede enzimin moleküler yapısını atoma yakın çözünürlükte belirlediler. Nitrogenaz, bugüne kadar incelenen en basit nitrogenaz örneği çıktı; aynı zamanda üç büyük nitrogenaz ailesinin — molibden, vanadyum ve yalnızca demir formlarının — yapısal özelliklerini bir arada taşıyordu.
Bu birleşim, kadim nitrogenazların bugün bakterilerde bulunanlardan ziyade bu arkea enzimine daha çok benzemiş olabileceği ihtimalini destekliyor.
Araştırmacılar ardından enzimin molibden metallokofaktörü içerdiğini doğrulamak için harekete geçti.
Wagner, "Molibdeni arayışımız teknik açıdan son derece zordu ve senkrotrondaki uzmanların cihazlarını mutlak sınırlarına kadar zorlamasını gerektirdi" diyor.
Ölçümler beklenen molibden sinyalini doğruladı, ancak bir sürpriz de ortaya çıkardı.
"Molibden içeren bir nitrogenazda bugüne kadar hiç gözlemlenmemiş bir hali gördüğümüzde adeta donakaldık!"
Araştırmacılar bu "devir" (turnover) halini daha önce yalnızca vanadyum ve yalnızca demir içeren nitrogenazlarda gözlemlemişti. Bu hal, N₂'yi parçalayan tepkimenin bir ara aşamasını temsil ediyor olabilir.
Aynı halin molibden içeren bir enzimde de bulunması, tüm nitrogenaz türlerinin azot molekülünü parçalamak için ortak bir temel mekanizma kullanıyor olabileceğini gösteriyor.
Azot fiksasyonunu anlamanın derin deniz ortamlarının çok ötesinde sonuçları var. M. infernus gibi azot fikse eden mikroorganizmalar azotu amonyağa dönüştürüyor, ancak Dünya'nın karbon döngüsünde de önemli bir rol oynuyorlar. Bu tür mikroorganizmalar, atmosferdeki metanın yarısının üretiminden sorumlu.
Gelecekte araştırmacılar, bu canlıları gazları metan ve amonyak gibi faydalı ürünlere dönüştüren biyolojik sistemler olarak değerlendirebilir; enerji kaynağı olarak da yeşil hidrojen kullanılabilir.
Wagner, "Peki ya ekinler bir gün azotu doğrudan atmosferdeki N₂'den alabilirse?" diye hayal kuruyor.
Böyle bir gelişme, tarımın endüstriyel gübrelere bağımlılığını azaltabilir. Haber-Bosch yöntemiyle gübre üretmek büyük miktarda enerji gerektiriyor ve sera gazı salımlarıyla ilişkilendiriliyor. Aşırı gübre kullanımı da ötrofikasyon ve diğer çevresel zararlara yol açabiliyor.
"Şimdilik bu çalışma daha temel bir şey sunuyor: biyolojinin en dikkat çekici kimyasal tepkimelerinden birine dair güncellenmiş bir moleküler bakış."
Araştırma, Nevena Maslać ve Tristan Wagner imzasıyla "Molecular basis of N2 fixation in a hyperthermophilic archaeon" başlığıyla Nature Communications dergisinde yayımlandı (2026).
