Dusík je pro rostliny to, co benzín pro auta. Je to základ jejich růstu, motor, který jim umožňuje tvořit listy, stonky a plody. Problém je v tom, že toto "palivo" nepřichází přímo ze vzduchu, ale je neustále získáváno průmyslovými hnojivy, což má vysoké ekologické náklady a důsledky, které nejsou vždy patrné. Dosud dusík způsoboval opotřebení půdy, dopad na ekosystémy a chemickou závislost, která podmiňuje celý potravní řetězec. Dobrou zprávou je, že vědecká studie by mohla tento model změnit a učinit ho soběstačným.
Jak protein umožňuje rostlinám fixovat vlastní dusík
Atmosférický dusík je nejhojnějším plynem ve vzduchu, ale pro většinu živých bytostí je k ničemu. Rostliny toho využívají pouze tehdy, když některé mikroorganismy přemění tento materiál na asimilovatelné sloučeniny. Tuto práci provádějí dusíkové enzymy, enzymy velmi citlivé na kyslík, které zajišťují biologickou fixaci dusíku. Aby tyto enzymy fungovaly, potřebují složitý kovový kofaktor. Jeho sestavení vyžaduje přesnou sekvenci kroků a zásah několika proteinů. Jedním z nejdůležitějších je NifEN, který slouží jako molekulární lešení, kde je dokončena závěrečná fáze tvorby kofaktoru před integrací do aktivní dusíkové hmoty, známé jako NifDK. Až dosud bylo známo, co NifEN dělá, ale ne jak. Nová studie (Dynamika řídící prekurzor v lešení NifEN během sestavování dusíkového FeMo-kofaktoru), publikovaná v časopise Nature Chemical Biology, ukazuje, jak tento proces umožňuje samotné rostlině získat potřebný dusík, aniž by byla závislá na vnějších vstupech. Myšlenka, která se zdá jednoduchá, ale obsahuje obrovskou biologickou složitost.
Jak výzkumníci dospěli k tomuto závěru
Práci vedl mezinárodní tým z Institut de Biologie Structurale společně s CSIC, za účasti Centra pro biotechnologii rostlin a genomiku (CBGP). K pozorování procesu použili kryogenní elektronovou mikroskopii, techniku, která umožňuje zmrazení proteinů v plném provozu a analýzu s téměř atomárním rozlišením. Obrázky ukazují, že NifEN není pevná konstrukce. Protein se otevírá a zavírá, mění tvar a vede kofaktorský prekurzor z povrchu do vnitřní dutiny. Právě tam dochází k jeho zrání. Tento detail opravuje předchozí hypotézy, které proces umisťovaly na vnější stranu proteinu. Kromě toho tým identifikoval mezistavy kofaktoru během tranzitu, což je přímý důkaz, že sestavování probíhá dynamicky a kontrolovaně. Toto chování vysvětluje funkční oddělení mezi NifEN, zaměřeným na stavbu, a NifDK, který se věnuje fixaci dusíku.
Proč je tento průlom v oblasti dusíku důležitý pro zemědělství
Většina dnešních plodin spoléhá na dusíkatá hnojiva vyráběná pomocí Haber-Boschova procesu, který spotřebovává velké množství zemního plynu. Pokud si rostlina dokáže fixovat vlastní dusík, továrna už není nezbytná. To má přímý dopad na klima. Výroba a používání hnojiv uvolňuje velké množství oxidu dusného, plynu s tepelnou silou mnohem vyšší než oxid uhličitý. Snížení jeho používání je okamžitou úlevou pro atmosféru. Také zlepšuje zdraví řek a oceánů. Přebytečný dusík je smyt deštěm a způsobuje eutrofizaci, jev, který ničí vodní ekosystémy. Soběstačná rostlina využívá potřebný dusík, aniž by škodila životnímu prostředí.
