Nature发现重氮营养物“固定”氮的关键步骤

氮是产生氨基酸和核酸的重要成分，而氨基酸和核酸是细胞生长和功能所必需的。大气中的氮必须首先被转化或“固定”成一种可以被植物利用的形式，通常是氨。固定氮的方法只有两种，一种是工业的，一种是生物的。为了更好地理解生物过程的一个关键组成部分，加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学教授Akif Tezcan和化学和生物化学助理教授Mark Herzik采取了多管齐下的方法。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。

　　

氮是产生氨基酸和核酸的重要成分，而氨基酸和核酸是细胞生长和功能所必需的。虽然大气中近80%的氮是由氮组成的，但这些氮是以二氮（N2）的形式存在的，大多数生物都不能对其进行处理。大气中的氮必须首先被转化或“固定”成一种可以被植物利用的形式，通常是氨。

固定氮的方法只有两种，一种是工业的，一种是生物的。为了更好地理解生物过程的一个关键组成部分，加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学教授Akif Tezcan和化学和生物化学助理教授Mark Herzik采取了多管齐下的方法。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。

在不友好的环境中茁壮成长

工业方法是通过哈伯-博世方法，该方法在20世纪初出现，使合成肥料的大规模生产成为可能，提高了农业产量，并帮助世界人口飙升。然而，这个过程是能源密集型的，在非常高的温度和压力下操作。它还需要大量的氢，由燃烧化石燃料产生，并造成大量的温室气体排放。

固氮的生物途径是由重氮营养体完成的，固氮细菌含有一种叫做固氮酶的酶。与Haber-Bosch工艺相反，氮酶可以在环境压力和温度下催化，并且不会产生温室气体排放。

然而，氮酶也需要大量的生化燃料，以产生能量的三磷酸腺苷（ATP）的形式。大多数重氮营养体通过“燃烧”氧气的细胞呼吸产生大量ATP——尽管氮酶对氧气极其敏感。长期以来，科学家们一直想知道重氮营养体是如何通过燃烧氧气来产生ATP的，同时保护氮酶不被氧气破坏的。

重氮营养物有适当的安全机制；然而，即使有了这些保护措施，一些氧气进入固氮细胞是不可避免的。当这种情况发生时，一些重氮营养体采用一种“最后手段”来保护氮酶免受破坏，称为构象保护机制。

在这里，一种名为FeSII的铁硫蛋白感知到细胞中氧气的增加，并与氮酶复合物结合，保护其免受损害并停止氨的产生。当细胞内的氧气水平下降时，FeSII再次感觉到这一点，与氮酶分离，氨的生产继续进行。

尽管科学家们早就知道FeSII蛋白，但它保护氮酶免受氧损伤的机制尚不清楚。为了回答这些问题，研究人员采用了几种技术，这些技术共同提供了对这一机制如何工作的详细见解。

一个强大的工具包有助于回答一个长期存在的问题

第一作者Sarah Narehood是一名联合研究生，她在Tezcan和Herzik实验室工作，学习氮酶的行为，同时也利用低温电子显微镜（cryoEM）技术的发展。

“这项工作真正强调了阐明这些复杂自然系统的结构动力学所必需的跨学科进展，”Narehood说。

该团队使用了一种称为单粒子重建的低温电镜方法，使他们能够在FeSII存在的情况下对氮酶蛋白混合物进行近原子水平的快照。通过这样做，他们能够可视化这些结构，清楚地揭示了FeSII夹在另外两种氮酶蛋白之间，将它们粘合在一起形成细丝。这种夹心阻挡了氧气接近氮酶蛋白的敏感金属辅因子，同时也诱导了休眠。

虽然这解释了氮酶是如何免受氧气暴露的，但它并没有解释FeSII是如何能够首先感知氧气水平的。为了揭示这一点，研究小组使用了另一种称为小角度x射线散射（SAXS）的技术，使用了位于斯坦福同步辐射光源的仪器。

SAXS实验表明，在有氧和无氧的情况下，FeSII的形状都会发生变化。在氧气存在的情况下，FeSII的形状在其他蛋白质之间完美契合，将它们夹在一起形成细丝。当氧水平下降时，FeSII的结构松弛，导致纤维的解离和氮酶的重新激活。

研究人员还使用了一种分析型超离心机，由于其旋转速度之快，本质上是离心机的“一级方程式”。在分析型超离心机中，蛋白质颗粒以不同的速度沉降到底部——较重的颗粒沉降得快，而较轻的颗粒沉降得慢。这种方法使研究人员能够分析不同蛋白质的质量，进一步证实当FeSII感知氧气时，它会将其他氮酶蛋白质粘合成更大的组装体和细丝。

现在他们已经发现了FeSII保护氮酶免受氧气伤害的机制，研究小组想要在活细胞中捕捉到它的作用。为了做到这一点，他们想要使用低温电子显微镜断层扫描，这将允许在整个重氮营养细胞固定氮的过程中进行三维可视化，以及体内氧气保护机制。

尽管氮酶是生物圈中最重要的酶之一，但其功能的分子细节在很大程度上仍是未知的。解决构象保护机制的细节提供了一个重要的拼图，具有重要的实际意义。

Tezcan说：“如果氮酶机制可以被编码到植物细胞中，这样它们就不需要人工肥料，这可能意味着在不牺牲农业产量的情况下减少温室气体排放。”

这对一个受污染的星球上不断增长的人口至关重要。