固氮過程

氮是我們都非常熟悉的元素，它是構成氨基酸和核酸的基礎元素。在地球的大氣中，約78%是由氮氣（N?）構成的。盡管氮氣如此豐富，但這種穩定的分子形式卻無法被大多數生物直接利用。氮氣必須通過固氮過程轉化為氨（NH?）或可被生物吸收的銨離子（NH??）。

固氮途徑僅有兩種：工業固氮和生物固氮。工業固氮通過哈伯-博施法實現，這項技術誕生于20世紀初，大幅推動了化肥的生產和農業產量增長。然而，工業固氮過程能耗極高，需要在高溫高壓運行，并依賴化石燃料產生大量氫氣，同時伴隨大量溫室氣體的排放。

相比之下，生物固氮是通過一類被稱為固氮生物（diazotrophs）的細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，而且不會產生溫室氣體。但固氮酶需要消耗大量的三磷酸腺苷（ATP）作為能量來源。為了滿足這一需求，大多數固氮生物通過“燃燒”氧氣生成ATP。

然而，矛盾的是，固氮酶對氧氣極為敏感，在暴露于氧氣后會迅速失活。這種矛盾引發了一個長期未解的科學問題：固氮生物是如何在需要氧氣生成能量的同時，又能有效保護固氮酶免受氧氣損害的？

近日發表于《自然》雜志的一項研究解決了這一科學難題，揭示了一種名為FeSII的關鍵蛋白在保護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雜的酶，它們由鐵蛋白和鉬鐵蛋白兩種組分構成，鐵蛋白和鉬鐵蛋白都會在氧氣的存在下失去活性。因此，固氮生物發展出了多種機制來應對氧氣的威脅。

盡管如此，氧氣仍可能滲入固氮細胞。當氧氣濃度升高時，這些生物會啟動“最后手段”——構象保護機制，以確保固氮酶免受破壞。過去的研究表明，一種名為FeSII的鐵硫蛋白在此過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保護性復合物。當FeSII感知到氧氣濃度升高時，它會與固氮酶結合，使鐵蛋白和鉬鐵蛋白的活性被暫時抑制，保護其免受氧氣的損害，同時暫停氨的產生；一旦氧氣威脅消除，FeSII會從復合物中解離，使鐵蛋白和鉬鐵蛋白恢復活性，并恢復氨的生產。

FeSII的保護機制

盡管科學家早在50多年前就已知道FeSII的存在，但尚不清楚它是如何保護固氮酶免受氧氣破壞的。為了揭開這個謎團，研究團隊采用了多種尖端技術，深入解析了這一機制的運作原理。

利用冷凍電鏡術，研究團隊捕捉到了FeSII與固氮酶蛋白的混合物的近原子級圖像。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構。這種結構有效阻隔了氧氣接觸固氮酶的金屬輔因子，同時誘導了酶的休眠狀態。

此外，為了探究FeSII如何感知氧氣水平，研究團隊進一步使用了小角度X射線散射（SAXS）技術。結果顯示，FeSII無論在氧氣存在或不存在的情況下，都會發生形狀變化。在氧氣充足時，FeSII的形狀變化能使其與其他蛋白緊密結合，形成絲狀結構；而當氧氣減少時，FeSII的結構會變得松弛，絲狀結構解體，固氮酶重新被激活。

為了進一步確認FeSII的功能，研究團隊還使用有著極快旋轉速度的分析超離心機進行實驗。在超離心機中，不同質量的蛋白質顆粒以不同的速度沉降——質量較大的顆粒沉降速度更快，而質量較小的顆粒則沉降較慢。通過這一方法，研究人員成功分析了蛋白質的質量變化，并進一步驗證了當FeSII感知到氧氣時，它會促使其他固氮酶蛋白結合，形成更大的復合物和細絲結構。

應用潛力

此次研究揭示了FeSII在保護固氮酶免受氧氣損害中的分子機制，為理解生物固氮提供了重要線索。接下來，研究團隊計劃利用冷凍電鏡斷層掃描技術，在活細胞中捕捉這一機制的動態過程。

固氮酶是生物圈中最重要的酶之一，然而其功能的分子細節仍未被完全了解。此次對構象保護機制的揭示，不僅具有學術意義，還可能帶來實際應用的革命性突破。如果能將固氮酶機制編碼進植物細胞中，農作物將無需依賴人工化肥，從而減少溫室氣體排放。這對于緩解全球污染、滿足不斷增長的人口需求具有深遠意義。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Dan Meyers / Unsplash