大氣和有機(jī)物之間的氮交換對(duì)地球上的生命至關(guān)重要，因?yàn)榈堑鞍踪|(zhì)和DNA等基本分子的主要成分。 

細(xì)菌中的燃料電池
氮循環(huán)（左）和厭氧氨氧化細(xì)菌如何促進(jìn)亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓ㄓ遥?

僅在20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的這種交換的一個(gè)主要途徑是在某些細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化途徑。它通過(guò)肼進(jìn)行，肼是人類用作火箭燃料的高反應(yīng)性物質(zhì)。馬克斯普朗克醫(yī)學(xué)研究所的研究人員與來(lái)自荷蘭馬克斯普朗克生物物理研究所和Radboud大學(xué)的科學(xué)家合作，現(xiàn)在描述了該過(guò)程中后一步的酶結(jié)構(gòu)：將肼轉(zhuǎn)化為氮?dú)獠⑹斋@以這種方式釋放的能量。剛剛發(fā)表在“科學(xué)進(jìn)步”雜志上的這些結(jié)果顯示了一個(gè)的血紅素基團(tuán)網(wǎng)絡(luò)，用于處理化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放的大量電子。

生物地球化學(xué)氮循環(huán)

氮?dú)猓∟2）形式的氮?dú)庹嘉覀兇髿獾?0％左右，但作為一種元素，氮?dú)鈨H在地殼中少量存在。然而，所有生物都需要氮，因?yàn)樗谴蟛糠直匦璺肿拥囊徊糠?。然而，它們不能直接使用大氣氮并且需要不同的化學(xué)形式。許多細(xì)菌通過(guò)產(chǎn)生更多反應(yīng)形式的氮來(lái)進(jìn)行這種轉(zhuǎn)化并有助于生化氮循環(huán)（圖像）。

Anammox細(xì)菌 - 通過(guò)中間的捷徑

在20世紀(jì)90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種叫做厭氧氨氧化（anammox）的細(xì)菌過(guò)程。 “我們現(xiàn)在相信這個(gè)過(guò)程是每年從海洋中去除氮的30％到70％的原因，”海德堡醫(yī)學(xué)研究MPI組織負(fù)責(zé)人Thomas Barends解釋道。 “由于這種特性，厭氧氨氧化細(xì)菌被用于世界各地的可持續(xù)廢水處理，”Radboud大學(xué)的Cornelia Welte補(bǔ)充道。在此過(guò)程中，細(xì)菌將亞硝酸鹽和氨轉(zhuǎn)化為二氮（N2）和水，同時(shí)為細(xì)胞產(chǎn)生能量。分子肼在中間步驟中產(chǎn)生。肼是火箭燃料的常見(jiàn)成分，但由于其高毒性，細(xì)菌作為代謝燃料的使用相當(dāng)奇特 - 并且在生物體中令人驚訝。韋爾特：“到目前為止，肼只在厭氧氨氧化物中發(fā)現(xiàn)，而在其他細(xì)菌中卻沒(méi)有。”直到近，關(guān)于這些細(xì)菌如何利用肼轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放的能量知之甚少。

此前，該研究小組及其合作者已經(jīng)描述了酶肼合成酶和羥胺氧化還原酶的結(jié)構(gòu)。研究人員現(xiàn)在通過(guò)描述肼脫氫酶的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步解開(kāi)厭氧謎題，肼脫氫酶是將毒性肼轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氮?dú)怏w的酶。 “肼的使用以及肼脫氫酶的結(jié)構(gòu)都非常*，因此詳細(xì)揭示生物過(guò)程非常重要，”Welte解釋說(shuō)。

從有毒火箭燃料到無(wú)害氮 - 肼脫氫酶（HDH）復(fù)合物

“人們可以將HDH復(fù)合物與具有僅適合某些類型插頭的電源插座的燃料電池進(jìn)行比較，”Thomas Barends說(shuō)道，他描述了HDH的結(jié)構(gòu)和機(jī)制。 “燃料”肼通過(guò)外部通道進(jìn)入蛋白質(zhì)復(fù)合物。然后該酶通過(guò)192個(gè)血紅素基團(tuán)的的大網(wǎng)絡(luò)催化肼轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。然后電子被帶到?xì)菌的其他部分，就像電流傳遞給電氣消費(fèi)者一樣。然后這些消費(fèi)者產(chǎn)生細(xì)胞的能量。

縮小差距

“我們正在努力尋找能夠吸收儲(chǔ)存在血紅素網(wǎng)絡(luò)中的電子的蛋白質(zhì)，”該研究的作者，Barends小組的博士后Mohd Akram說(shuō)。從他們觀察到的結(jié)構(gòu)中，他們預(yù)計(jì)只有小蛋白質(zhì)可以進(jìn)入復(fù)合物，在內(nèi)部的空心空間中吸收電子，并再次離開(kāi)。選擇哪些蛋白質(zhì)可以接近電子可以幫助確保電子被帶到正確的位置以用于電池中的能量產(chǎn)生。

肼:也叫聯(lián)氨。有機(jī)化合物，化學(xué)式NH2NH2。無(wú)色油狀液體，在空氣中發(fā)煙，具有氨的氣味，劇毒。是一種強(qiáng)還原劑，可將堿溶液中的金屬離子還原成單質(zhì)，可用于鏡面鍍銀、塑料和玻璃上鍍金屬膜。并可用作火箭燃料、顯像劑、抗氧劑、制藥等。

羥胺:有機(jī)化合物，化學(xué)式NH2OH。白色薄片狀、針狀晶體或無(wú)色油狀液體，有腐蝕性。可用作還原劑或用于有機(jī)合成。也叫胲。
Fuel cells in bacteria
by