固氮過(guò)程

氮是我們都非常熟悉的元素，它是構(gòu)成氨基酸和核酸的基礎(chǔ)元素。在地球的大氣中，約78%是由氮?dú)猓∟?）構(gòu)成的。盡管氮?dú)馊绱素S富，但這種穩(wěn)定的分子形式卻無(wú)法被大多數(shù)生物直接利用。氮?dú)獗仨毻ㄟ^(guò)固氮過(guò)程轉(zhuǎn)化為氨（NH?）或可被生物吸收的銨離子（NH??）。

固氮途徑僅有兩種：工業(yè)固氮和生物固氮。工業(yè)固氮通過(guò)哈伯-博施法實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)誕生于20世紀(jì)初，大幅推動(dòng)了化肥的生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增長(zhǎng)。然而，工業(yè)固氮過(guò)程能耗極高，需要在高溫高壓運(yùn)行，并依賴化石燃料產(chǎn)生大量氫氣，同時(shí)伴隨大量溫室氣體的排放。

相比之下，生物固氮是通過(guò)一類(lèi)被稱為固氮生物（diazotrophs）的細(xì)菌利用固氮酶完成的。固氮酶能夠在常溫常壓下催化固氮反應(yīng)，而且不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。但固氮酶需要消耗大量的三磷酸腺苷（ATP）作為能量來(lái)源。為了滿足這一需求，大多數(shù)固氮生物通過(guò)“燃燒”氧氣生成ATP。

然而，矛盾的是，固氮酶對(duì)氧氣極為敏感，在暴露于氧氣后會(huì)迅速失活。這種矛盾引發(fā)了一個(gè)長(zhǎng)期未解的科學(xué)問(wèn)題：固氮生物是如何在需要氧氣生成能量的同時(shí)，又能有效保護(hù)固氮酶免受氧氣損害的？

近日發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)研究解決了這一科學(xué)難題，揭示了一種名為FeSII的關(guān)鍵蛋白在保護(hù)固氮酶免受氧氣破壞中的作用。

固氮酶的秘密

固氮酶是一種大型且復(fù)雜的酶，它們由鐵蛋白和鉬鐵蛋白兩種組分構(gòu)成，鐵蛋白和鉬鐵蛋白都會(huì)在氧氣的存在下失去活性。因此，固氮生物發(fā)展出了多種機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)氧氣的威脅。

盡管如此，氧氣仍可能滲入固氮細(xì)胞。當(dāng)氧氣濃度升高時(shí)，這些生物會(huì)啟動(dòng)“最后手段”——構(gòu)象保護(hù)機(jī)制，以確保固氮酶免受破壞。過(guò)去的研究表明，一種名為FeSII的鐵硫蛋白在此過(guò)程中扮演了重要角色。

FeSII能與鐵蛋白和鉬鐵蛋白形成了一個(gè)保護(hù)性復(fù)合物。當(dāng)FeSII感知到氧氣濃度升高時(shí)，它會(huì)與固氮酶結(jié)合，使鐵蛋白和鉬鐵蛋白的活性被暫時(shí)抑制，保護(hù)其免受氧氣的損害，同時(shí)暫停氨的產(chǎn)生；一旦氧氣威脅消除，F(xiàn)eSII會(huì)從復(fù)合物中解離，使鐵蛋白和鉬鐵蛋白恢復(fù)活性，并恢復(fù)氨的生產(chǎn)。

FeSII的保護(hù)機(jī)制

盡管科學(xué)家早在50多年前就已知道FeSII的存在，但尚不清楚它是如何保護(hù)固氮酶免受氧氣破壞的。為了揭開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，研究團(tuán)隊(duì)采用了多種尖端技術(shù)，深入解析了這一機(jī)制的運(yùn)作原理。

利用冷凍電鏡術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)捕捉到了FeSII與固氮酶蛋白的混合物的近原子級(jí)圖像。他們觀察到，FeSII夾在兩種固氮酶蛋白之間，將它們連接成絲狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有效阻隔了氧氣接觸固氮酶的金屬輔因子，同時(shí)誘導(dǎo)了酶的休眠狀態(tài)。

此外，為了探究FeSII如何感知氧氣水平，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用了小角度X射線散射（SAXS）技術(shù)。結(jié)果顯示，FeSII無(wú)論在氧氣存在或不存在的情況下，都會(huì)發(fā)生形狀變化。在氧氣充足時(shí)，F(xiàn)eSII的形狀變化能使其與其他蛋白緊密結(jié)合，形成絲狀結(jié)構(gòu)；而當(dāng)氧氣減少時(shí)，F(xiàn)eSII的結(jié)構(gòu)會(huì)變得松弛，絲狀結(jié)構(gòu)解體，固氮酶重新被激活。

為了進(jìn)一步確認(rèn)FeSII的功能，研究團(tuán)隊(duì)還使用有著極快旋轉(zhuǎn)速度的分析超離心機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在超離心機(jī)中，不同質(zhì)量的蛋白質(zhì)顆粒以不同的速度沉降——質(zhì)量較大的顆粒沉降速度更快，而質(zhì)量較小的顆粒則沉降較慢。通過(guò)這一方法，研究人員成功分析了蛋白質(zhì)的質(zhì)量變化，并進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)FeSII感知到氧氣時(shí)，它會(huì)促使其他固氮酶蛋白結(jié)合，形成更大的復(fù)合物和細(xì)絲結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用潛力

此次研究揭示了FeSII在保護(hù)固氮酶免受氧氣損害中的分子機(jī)制，為理解生物固氮提供了重要線索。接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用冷凍電鏡斷層掃描技術(shù)，在活細(xì)胞中捕捉這一機(jī)制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

固氮酶是生物圈中最重要的酶之一，然而其功能的分子細(xì)節(jié)仍未被完全了解。此次對(duì)構(gòu)象保護(hù)機(jī)制的揭示，不僅具有學(xué)術(shù)意義，還可能帶來(lái)實(shí)際應(yīng)用的革命性突破。如果能將固氮酶機(jī)制編碼進(jìn)植物細(xì)胞中，農(nóng)作物將無(wú)需依賴人工化肥，從而減少溫室氣體排放。這對(duì)于緩解全球污染、滿足不斷增長(zhǎng)的人口需求具有深遠(yuǎn)意義。

#參考來(lái)源：

https://today.ucsd.edu/story/how-diazotrophs-fix-nitrogen

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04108-4

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08311-1

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Dan Meyers / Unsplash