大氣和有機(jī)物之間的氮交換對地球上的生命至關(guān)重要，因?yàn)榈堑鞍踪|(zhì)和DNA等基本分子的主要成分。這種交換的一種主要途徑是在某些細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的氨氧化細(xì)菌（anammox）途徑，這種途徑直到上世紀(jì)90年代才被發(fā)現(xiàn)。

它通過聯(lián)氨進(jìn)行，聯(lián)氨是一種高度反應(yīng)的物質(zhì)，被人類用作火箭燃料。馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所研究人員與荷蘭馬克斯普朗克生物物理研究所和內(nèi)梅亨大學(xué)的科學(xué)家合作，現(xiàn)在描述了執(zhí)行這一過程最后一步的酶結(jié)構(gòu)：將肼轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，并以這種方式獲取釋放出來的能量。

這些研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，顯示了一個(gè)前所未有的血紅素群網(wǎng)絡(luò)，用于處理化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中釋放的大量電子。氮以氮?dú)?N2)的形式存在，占我們大氣的80%左右，但作為一種元素，氮只在地殼中少量存在。然而，所有的生物體都需要氮，因?yàn)榈谴蟛糠只痉肿拥囊徊糠?。然而，它們不能直接使用大氣中的氮，也不能以不同的化學(xué)形式需要它。許多細(xì)菌進(jìn)行這樣的轉(zhuǎn)化，并通過產(chǎn)生更多反應(yīng)形式的氮來促進(jìn)生化氮循環(huán)。

氨氧化細(xì)菌，中間捷徑

20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種叫做厭氧氨氧化(anammox)的細(xì)菌過程。海德堡MPI醫(yī)學(xué)研究小組組長托馬斯·巴倫茲解釋說：我們現(xiàn)在認(rèn)為，每年海洋中30%到70%的氮都是由這一過程造成。Radboud大學(xué)Cornelia Welte補(bǔ)充說：由于這種特性，氨氧化細(xì)菌在全世界都被用于可持續(xù)廢水處理。在這個(gè)過程中，細(xì)菌將亞硝酸鹽和氨轉(zhuǎn)化為二氮和水，同時(shí)為細(xì)胞產(chǎn)生能量，分子肼是在中間步驟中產(chǎn)生。聯(lián)氨是火箭燃料的一種常見成分，但它作為一種代謝燃料被細(xì)菌使用相當(dāng)奇特。

而且在生物體中令人驚訝，因?yàn)樗哂泻芨叩亩拘?。到目前為止，?lián)氨只在氨氧化細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，而沒有在其他細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)。直到本研究前，人們對這些細(xì)菌如何利用肼轉(zhuǎn)化過程中釋放的能量知之甚少。此前，研究小組及其合作者已經(jīng)描述了肼合酶和羥胺氧化還原酶的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，研究人員通過描述肼脫氫酶的晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步解開了氨氧化細(xì)菌之謎。聯(lián)氨的使用以及聯(lián)氨脫氫酶結(jié)構(gòu)都非常獨(dú)特，因此詳細(xì)揭示生物過程非常重要。

從有毒火箭燃料到無害的氮-肼脫氫酶(HDH)復(fù)合物

Thomas Barends在描述HDH結(jié)構(gòu)和機(jī)理時(shí)說：人們可以把HDH復(fù)合體比作一個(gè)燃料電池，它的電源插座只適合某些類型的插頭。燃料聯(lián)氨通過外部通道進(jìn)入蛋白質(zhì)復(fù)合物。然后，該酶通過一個(gè)由192個(gè)血紅素基團(tuán)組成的空前龐大網(wǎng)絡(luò)催化肼轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。然后電子被帶到?xì)菌的其他部分，比如電流傳遞給電子消費(fèi)者，這些消費(fèi)者然后產(chǎn)生細(xì)胞的能量。

縮小差距

巴倫支團(tuán)隊(duì)的博士后、論文的第一作者M(jìn)ohd Akram說：我們現(xiàn)在正在尋找一種蛋白質(zhì)，它能吸收血紅素網(wǎng)絡(luò)中儲存的電子，從觀察到的結(jié)構(gòu)來看，預(yù)計(jì)只有小的蛋白質(zhì)才能進(jìn)入復(fù)合物，在一個(gè)中空的空間中占據(jù)電子，然后再次離開。選擇哪些蛋白質(zhì)可以接近電子，可能有助于確保電子被帶到正確的地方，用于細(xì)胞內(nèi)的能量生成。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)（Max Planck Society）

參考期刊文獻(xiàn):《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV4310

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