大氣和有機物之間的氮交換對地球上的生命至關(guān)重要，因為氮是蛋白質(zhì)和DNA等基本分子的主要成分。 

細菌中的燃料電池
氮循環(huán)（左）和厭氧氨氧化細菌如何促進亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣（右）.

僅在20世紀90年代發(fā)現(xiàn)的這種交換的一個主要途徑是在某些細菌中發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化途徑。它通過肼進行，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)在描述了該過程中后一步的酶結(jié)構(gòu)：將肼轉(zhuǎn)化為氮氣并收獲以這種方式釋放的能量。剛剛發(fā)表在“科學(xué)進步”雜志上的這些結(jié)果顯示了一個的血紅素基團網(wǎng)絡(luò)，用于處理化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中釋放的大量電子。

生物地球化學(xué)氮循環(huán)

氮氣（N2）形式的氮氣占我們大氣的80％左右，但作為一種元素，氮氣僅在地殼中少量存在。然而，所有生物都需要氮，因為它是大部分必需分子的一部分。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。許多細菌通過產(chǎn)生更多反應(yīng)形式的氮來進行這種轉(zhuǎn)化并有助于生化氮循環(huán)（圖像）。

Anammox細菌 - 通過中間的捷徑

在20世紀90年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種叫做厭氧氨氧化（anammox）的細菌過程。 “我們現(xiàn)在相信這個過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組織負責人Thomas Barends解釋道。 “由于這種特性，厭氧氨氧化細菌被用于世界各地的可持續(xù)廢水處理，”Radboud大學(xué)的Cornelia Welte補充道。在此過程中，細菌將亞硝酸鹽和氨轉(zhuǎn)化為二氮（N2）和水，同時為細胞產(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成分，但由于其高毒性，細菌作為代謝燃料的使用相當奇特 - 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)，而在其他細菌中卻沒有。”直到近，關(guān)于這些細菌如何利用肼轉(zhuǎn)化過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)在通過描述肼脫氫酶的晶體結(jié)構(gòu)進一步解開厭氧謎題，肼脫氫酶是將毒性肼轉(zhuǎn)化為無害的二氮氣體的酶。 “肼的使用以及肼脫氫酶的結(jié)構(gòu)都非常*，因此詳細揭示生物過程非常重要，”Welte解釋說。

從有毒火箭燃料到無害氮 - 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行比較，”Thomas Barends說道，他描述了HDH的結(jié)構(gòu)和機制。 “燃料”肼通過外部通道進入蛋白質(zhì)復(fù)合物。然后該酶通過192個血紅素基團的的大網(wǎng)絡(luò)催化肼轉(zhuǎn)化為氮氣。然后電子被帶到細菌的其他部分，就像電流傳遞給電氣消費者一樣。然后這些消費者產(chǎn)生細胞的能量。

縮小差距

“我們正在努力尋找能夠吸收儲存在血紅素網(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。從他們觀察到的結(jié)構(gòu)中，他們預(yù)計只有小蛋白質(zhì)可以進入復(fù)合物，在內(nèi)部的空心空間中吸收電子，并再次離開。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。有機化合物，化學(xué)式NH2NH2。無色油狀液體，在空氣中發(fā)煙，具有氨的氣味，劇毒。是一種強還原劑，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:有機化合物，化學(xué)式NH2OH。白色薄片狀、針狀晶體或無色油狀液體，有腐蝕性。可用作還原劑或用于有機合成。也叫胲。
Fuel cells in bacteria
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