酸素なしで呼吸する原始微生物の仕組みを解明(Without Oxygen: How Primordial Microbes Breathed)

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2025-03-17 ゲーテ大学

ゲーテ大学フランクフルトの研究チームは、細胞呼吸の最も古い酵素の1つである「Rnf複合体」の構造と機能を解明しました。この酵素は、酸素のない環境で生育する細菌がエネルギーを生成する際に重要な役割を果たします。研究者たちは、嫌気性細菌であるAcetobacterium woodiiからRnf複合体を分離し、クライオ電子顕微鏡を用いてその三次元構造を詳細に解析しました。この酵素複合体は、細胞膜を介してナトリウムイオンを輸送し、ATP合成を駆動する電気化学的勾配を形成することが明らかになりました。この発見は、初期の地球環境における生命のエネルギー代謝の理解を深めるだけでなく、CO₂の除去や再利用に関する新たな技術開発への応用も期待されます。

<関連情報>

古代のRnf機構における酸化還元連関ナトリウムポンプの分子原理 Molecular principles of redox-coupled sodium pumping of the ancient Rnf machinery

Anuj Kumar,Jennifer Roth,Hyunho Kim,Patricia Saura,Stefan Bohn,Tristan Reif-Trauttmansdorff,Anja Schubert,Ville R. I. Kaila,Jan M. Schuller & Volker Müller
Nature Communications  Published:07 March 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-57375-8

酸素なしで呼吸する原始微生物の仕組みを解明(Without Oxygen: How Primordial Microbes Breathed)

Abstract

The Rnf complex is the primary respiratory enzyme of several anaerobic prokaryotes that transfers electrons from ferredoxin to NAD+ and pumps ions (Na+ or H+) across a membrane, powering ATP synthesis. Rnf is widespread in primordial organisms and the evolutionary predecessor of the Na+-pumping NADH-quinone oxidoreductase (Nqr). By running in reverse, Rnf uses the electrochemical ion gradient to drive ferredoxin reduction with NADH, providing low potential electrons for nitrogenases and CO2 reductases. Yet, the molecular principles that couple the long-range electron transfer to Na+ translocation remain elusive. Here, we resolve key functional states along the electron transfer pathway in the Na+-pumping Rnf complex from Acetobacterium woodii using redox-controlled cryo-electron microscopy that, in combination with biochemical functional assays and atomistic molecular simulations, provide key insight into the redox-driven Na+ pumping mechanism. We show that the reduction of the unique membrane-embedded [2Fe2S] cluster electrostatically attracts Na+, and in turn, triggers an inward/outward transition with alternating membrane access driving the Na+ pump and the reduction of NAD+. Our study unveils an ancient mechanism for redox-driven ion pumping, and provides key understanding of the fundamental principles governing energy conversion in biological systems.

生物工学一般
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