大氣和有機物之間的氮交換對地球上的生命至關重要，因為氮是蛋白質和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菌中發現的氨氧化細菌（anammox）途徑，這種途徑直到上世紀90年代才被發現。它通過聯氨進行，聯氨是一種高度反應的物質，被人類用作火箭燃料。馬克斯普朗克醫學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梅亨大學的科學家合作，現在描述了執行這一過程最後一步的酶結構：將肼轉化為氮氣，並以這種方式獲取釋放出來的能量。

這些研究結果發表在《科學進展》上，顯示了一個前所未有的血紅素群網路，用於處理化學轉化過程中釋放的大量電子。氮以氮氣(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，因為氮是大部分基本分子的一部分。然而，它們不能直接使用大氣中的氮，也不能以不同的化學形式需要它。許多細菌進行這樣的轉化，並通過產生更多反應形式的氮來促進生化氮循環。

氨氧化細菌，中間捷徑

20世紀90年代，科學家們發現了一種叫做厭氧氨氧化(anammox)的細菌過程。海德堡MPI醫學研究小組組長托馬斯·巴倫茲解釋說：我們現在認為，每年海洋中30%到70%的氮都是由這一過程造成。Radboud大學Cornelia Welte補充說：由於這種特性，氨氧化細菌在全世界都被用於可持續廢水處理。在這個過程中，細菌將亞硝酸鹽和氨轉化為二氮和水，同時為細胞產生能量，分子肼是在中間步驟中產生。聯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菌使用相當奇特。

氮循環(左)和氨氧化細菌（anammox）如何促進亞硝酸鹽轉化為氮氣(右)。圖片：MPI for Medical Research

而且在生物體中令人驚訝，因為它具有很高的毒性。到目前為止，聯氨只在氨氧化細菌中發現，而沒有在其他細菌中發現。直到本研究前，人們對這些細菌如何利用肼轉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描述了肼合酶和羥胺氧化還原酶的結構。現在，研究人員通過描述肼脫氫酶的晶體結構，進一步解開了氨氧化細菌之謎。聯氨的使用以及聯氨脫氫酶結構都非常獨特，因此詳細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)複合物

Thomas Barends在描述HDH結構和機理時說：人們可以把HDH複合體比作一個燃料電池，它的電源插座只適合某些類型的插頭。燃料聯氨通過外部通道進入蛋白質複合物。然後，該酶通過一個由192個血紅素基團組成的空前龐大網路催化肼轉化為氮氣。然後電子被帶到細菌的其他部分，比如電流傳遞給電子消費者，這些消費者然後產生細胞的能量。

縮小差距

巴倫支團隊的博士後、論文的第一作者Mohd Akram說：我們現在正在尋找一種蛋白質，它能吸收血紅素網路中儲存的電子，從觀察到的結構來看，預計只有小的蛋白質才能進入複合物，在一個中空的空間中佔據電子，然後再次離開。選擇哪些蛋白質可以接近電子，可能有助於確保電子被帶到正確的地方，用於細胞內的能量生成。

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

參考期刊文獻:《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aav4310

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