市政相关探究：厌氧氨氧化菌里的燃料电池

查看全部 · 发表于 2021-4-13 11:07:31

大气和有机物之间的氮交换对地球上的生命体至关重要，因为氮是蛋白质和DNA等基本分子的重要成分。其中厌氧氨氧化是实现这种交换的主要途径。这个反应路径只存在于一些特殊菌种里，科学界迄今为止发现了 9 个厌氧氨氧化菌种，分别归在 5 个属中，并建立了厌氧氨氧化菌科（Anammoxaceae）。因为它可用于脱氮工艺，因此虽然它在上世纪90年代才被发现，但一出现立即成为微生物学界和水处理界的明星细菌。

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除此以外，厌氧氨氧化菌还可以将氨氮转化为火箭燃料肼（也叫联氨）。2011年著名科学期刊《自然》就曾报道过荷兰Radboud大学的Mike Jetten教授团队将用Anammox菌将尿液中的铵转化为火箭燃料肼的研究进展，并一度引起了美国NASA宇航局的关注。

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厌氧氨氧化途径的反应方程式 | 图源：Science Advances

厌氧氨氧化菌将氨氮转化为氮气的过程可以分解为上述四步，其中最后一步是肼转化为氮气的反应，并释放出大量自由能。最近，位于海德堡的马普所医学研究所的研究员，和马普所生物物理研究所以及荷兰Radboud大学的科学家合作，对执行这最后一步的酶结构进行描。他们发现在这个化学转化过程中，一个前所未见的血红素(heme)组团网络对释放的大量电子进行处理。

生物化学氮循环

氮气是我们大气中的重要组成（约80%），但在地壳里氮元素的含量很少。然而，所有生物都需要氮，因为许多基本分子里有它的出现。它们不能直接使用大气里的氮，而是需要通过其他化学形式来获取。如下图所示，很多细菌通过生物化学反应，制造各种具有活性的含氮物，并促进了氮循环的形成。

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左边是氮循环示意图，右边是厌氧氨氧化菌是如何完成这个转化的 | 图源：马普所

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氮循环 | 图源：微博@瓦村农夫

抄捷径的Anammox菌

而到了上世纪90年代，科学家发现了一种叫厌氧氨氧化的微生物反应，它颠覆了人们过去对氮循环的认识。“我们现在觉得，每年从海洋里脱除的氮，有30-70%是通过这个反应实现的。”马普所医学研究所的研究组组长Thomas Barends解释说。“因为这个特性，厌氧氨氧化菌被全球污水处理界视作新兴绿色处理工艺的关键所在。”Radboud大学的Cornelia Welte 补充道。

在这个过程中，细菌将亚硝态氮和氨氮转化成氮气和水，而且释放出能力供细胞利用。肼分子是该反应里的中间产物。肼是火箭燃料的常见组分。但细菌将它用作代谢燃料还是比较新奇的事情，因为这种物质的毒性其实很强，但它居然可以出现在微生物体内并为其所用。Cornelia Welte说：“目前我们只在厌氧氨氧化菌里发现肼，并未在其他细菌中找到。”至于这些细菌是如何利用肼转化释放的能量，此前科学家也是知之甚少。

该研究小组及其合作团队在之前的研究里已经成功描述了肼合成酶和羟胺氧化还原酶两种酶的结构。现在他们通过对肼脱氢酶的晶体结构的描述，将进一步帮助解开厌氧氨氧化里的谜题——肼脱氢酶是如何将有毒的肼转化为无害氮气的。“（厌氧氨氧化菌对）肼的使用以及肼脱氢酶的结构都非常独特，这些信息对揭示详细的生物过程非常重要。”Welte解释说。

HDH肼脱氢酶

肼脱氢酶的英文是hydrazine dehydrogenase，简称HDH。“你可以将HDH复合物比作一个燃料电池，只是这个只有某些特定类型的插头适用于它的插座。” Thomas Barends用这种类比来解释HDH复合物的结构。

“燃料”肼通过外部通道进入蛋白质复合物内部，然后该酶通过一个前所未见的含有192个血红素基团的大型网络，将肼催化转化为氮气。释放的电子被带到细菌的其他地方，电流传输到电子受体，然后这些电子受体生成细胞的能量。

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HDH里的电子传递网络 | 图源：sciencemag

下一步计划

“我们正在努力寻找能够吸收储存在血红素网络结构体中的电子的蛋白质。”Mohd Akram博士说。他是Barends小组的一名博士后，也是该论文的第一作者。基于他们的观察，他们猜测只有小蛋白可以进入复合物，在内部的空隙里吸收完电子后并再次离开。所以下一步的研究工作就是要找出是哪些蛋白质可以获取电子，这可以帮助确保将电子带到正确的位置，最终产生电能。出处：马普所