Metaloenzimas de los ciclos del carbono y nitrógeno: correlación entre la estructura y las propiedades fisicoquímicas de centros metálicos redox.

Abstract

El estudio de los ciclos del nitrógeno (N) y del carbono (C) realizados por bacterias es un campo de investigación multidisciplinario que involucra diversas áreas científicas. Uno de los puntos más relevantes de la interacción entre estos dos ciclos es la modulación que realizan sobre la respuesta de los ecosistemas al cambio climático global, lo cual está relacionado con los distintos procesos redox catalizados por las metaloenzimas participantes. Estudiaremos a nivel molecular el mecanismo catalítico de dos metaloenzimas redox involucradas en esos ciclos, los caminos químicos de transferencia electrónica de estas proteínas redox mediante el empleo de sistemas modelo, y el mecanismo de incorporación del ion Mo dentro de la célula bacteriana para su inserción en proteínas dependientes de este metal. Las metaloenzimas se obtendrán de rizobacterias dado su extenso uso como bioinoculantes en agricultura y por su implicancia en la producción de gases de efecto invernadero. Para el ciclo del N se estudiará la enzima de Cu nitrito reductasa (NirK), que cataliza la reducción de NO2- a NO. Para el ciclo del C, se estudiará la enzima de Mo formato deshidrogenasa (Fdh), que cataliza la oxidación de ácido fórmico a CO2. También se estudiará el sistema de transporte ModABC, clave para asimilar Mo y por ende Fdh activas. El trabajo a realizar contempla el uso de técnicas de biología molecular, bioquímicas, espectroscópicas, (espectro) electroquímicas, estructurales y cálculos computacionales, que serán usadas para caracterizar las propiedades fisicoquímicas de los centros metálicos y los caminos de transferencia electrónica intra- e interproteína. Dado que los metales presentes en los sistemas a investigar son paramagnéticos en ciertos estados de oxidación, y que además pueden presentar interacciones magnéticas débiles, utilizaremos la técnica de Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR) para su estudio. Estos estudios en proteínas serán complementados con estudios estructurales, espectroscópicos, magnéticos y de EPR en sistemas inorgánicos simples que contengan metales de transición paramagnéticos unidos por caminos químicos que modelen los caminos de transferencia electrónica en metaloenzimas redox. El estudio integrado de metaloenzimas y sistemas modelo junto con el de las proteínas transportadoras de metales es importante para entender, por ejemplo, como se produce la emisión de gases de efecto invernadero por bacterias presentes en los suelos de cultivo.

The study of the nitrogen (N) and carbon (C) cycles performed by bacteria is a multidisciplinary field of research that involves various scientific areas. One of the most relevant points of the interaction between these two cycles is the modulation they perform on the response of ecosystems to global climate change, which is related to the different redox processes catalyzed by the metalloenzymes participating in these cycles.We will study at molecular level the catalytic mechanism of two metalloenzymes involved in these cycles, the electron transfer pathways of these redox proteins by mean of model systems, and the Mo ion incorporation mechanism inside the bacterium cell for its insertion in Mo-dependent proteins. The metalloenzymes will be obtained from rhizobacteria given their extensive use as bioinoculants in agriculture and because of their implication in the production of greenhouse gases. For the N-cycle, the Cu-containing enzyme nitrite reductase (NirK), which catalyzes the reduction of NO2- to NO, will be studied. For the C-cycle, the Mo-containing enzyme formate dehydrogenase (Fdh), which catalyzes the oxidation of formic acid to CO2, will be studied. The ModABC transport system, key to assimilate Mo and to produce active Fdh, will also be studied. The work to be performed contemplates the use of molecular biology, biochemical, spectroscopic, (spectro)electrochemical, structural and computational calculation techniques, which will be used to characterize the physicochemical properties of metal centers and electron transfer pathways. Since the metals present in the systems to be investigated are paramagnetic in certain oxidation states, which can also present weak magnetic interactions between them, we will use extensively the Electron Paramagnetic Resonance (EPR) technique. The studies on proteins will be complemented with structural, spectroscopic, magnetic and EPR studies in simple inorganic systems containing paramagnetic transition metals connected by chemical pathways that model electron transfer pathways found in redox metalloenzymes. The integrated study of metalloenzymes and model systems together with that of metal transport proteins are important to understand, for example, greenhouse gas emission performed by bacteria living in agriculture soils.