研究结果挑战了目前对固氮酶的理解并强调了其在可持续生物生产中的潜力

固氮酶是地球上最重要的地球化学酶之一，以氨(NH3)的形式为所有生命形式提供生物可利用的氮。一些固氮酶还可以直接将CO2转化为碳氢化合物链，使其成为生物技术过程开发的一个令人兴奋的目标。

由马克斯·普朗克科学家约翰内斯·雷贝林(JohannesRebelein)领导的德国马尔堡研究小组现已全面深入了解了固氮酶的底物特异性和偏好。他们的研究结果挑战了人们对固氮酶的当前理解，并凸显了其在可持续生物生产中的潜力。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

氮是人体细胞的主要组成部分之一。然而，地球上的大多数氮都以气态N2的形式存在，无法被细胞化学利用。只有一类酶能够将N2转化为生物可利用的氨(NH3)：固氮酶。

由马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的JohannesRebelein领导的研究人员发现，一些固氮酶还可以处理另一种重要底物：它们将温室气体CO2还原为碳氢化合物(甲烷、乙烯、乙烷)和甲酸。

所有这些产品都是潜在的能源和重要的工业化学品。为了实现可持续的碳中性生物生产，该团队想知道：酶能多好地区分CO2和N2?在正常生理条件下，以N2为生的微生物是否也能还原CO2?

两种同工酶

为了回答这些问题，研究人员集中研究了光合细菌红细菌(Rhodobactercapsulatus)，它含有两种同工酶：钼(Mo)固氮酶和铁(Fe)固氮酶，当钼缺乏时，细菌需要这两种酶作为储备。

研究人员分离了这两种固氮酶，并通过生化测试比较了它们的二氧化碳还原能力。他们发现，铁固氮酶还原二氧化碳的效率实际上比含钼固氮酶高出三倍，并且在大气二氧化碳浓度下产生甲酸和甲烷。

当两种酶同时获得CO2和N2时，另一个重要的区别就变得明显：Mo-固氮酶选择性还原N2，而Fe-固氮酶则倾向于选择CO2作为底物。

“通常情况下，酶的反应速度越快，准确性就越低。有趣的是，钼固氮酶反应速度更快，选择性更强，在N2还原中显示出优势。Fe固氮酶的特异性较低，且对CO2有偏好，这使其成为开发新型CO2还原酶的一个有希望的起点，”JohannesRebelein实验室的博士生、该研究的合著者FrederikSchmidt说。

自然界中广泛减少二氧化碳?

低选择性并不是唯一令人惊讶的事情。

“我们分析了哪一部分电子最终进入了哪种产物，发现即使没有在培养物中添加额外的二氧化碳，细菌也会分泌甲烷和由Fe固氮酶转化二氧化碳产生的高浓度甲酸：代谢产生的二氧化碳足以驱动这一过程。这一发现表明，Fe固氮酶催化的二氧化碳还原在自然界中确实可能广泛存在，”该研究的共同第一作者NielsOehlmann说。

这也意味着一碳底物的可用性和交换可能会影响不同环境中的微生物群落。

这项研究挑战了传统的固氮酶作为真正的氮转化酶的观点。约翰内斯·雷贝林说，R.capsulatus等光合细菌利用光能刺激固氮酶转化温室气体CO2，它们不仅在环境影响方面发挥着关键作用，而且在社会向可持续循环经济转变方面也发挥着关键作用。

“我们的想法是，我们可以将微生物光合作用装置捕获的阳光中的能量储存在固氮酶产生的碳氢化合物中。未来，我们希望进一步开发铁固氮酶，以便将其用于二氧化碳的固定和利用。”