对生命至关重要的氮酶也能将二氧化碳还原成有价值的化学物质。新研究发现，铁-氮酶在这一过程中更为有效，为可持续生物技术带来了机遇。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用氮。有些氮酶还能直接将二氧化碳转化为碳氢链，这使它们成为开发生物技术过程的一个令人兴奋的目标。
荚膜红细菌（R.capsulatus）的液体培养物。这种模式细菌以光养菌为生，即通过光合作用获取能量。由马克斯-普朗克（Max Planck）科学家约翰内斯-雷贝林（Johannes Rebelein）领导的研究人员发现，荚膜红细菌中的铁（Fe）-氮酶即使在生理条件下也能将二氧化碳还原成甲酸盐和甲烷，而且这种转化对于可持续生物经济具有潜在的高价值：在光营养生物体中实现这种过程可以使二氧化碳在光的驱动下转化成有用的化学物质。图片来源：马克斯-普朗克陆地微生物研究所/盖塞尔
由马克斯-普朗克（Max Planck）科学家约翰内斯-雷贝林（Johannes Rebelein）领导的德国马尔堡研究小组现已全面了解了氮酶的底物特异性和偏好。他们的研究成果挑战了人们目前对氮酶的认识，凸显了氮酶在可持续生物生产方面的潜力。
氮是构成细胞的主要成分之一。然而，地球上的大部分氮是以气态 N2的 形式存在的， 细胞在化学上无法利用。只有一个酶家族能够将N2 转化为生物可利用的氨（NH3）形式：氮酶。
位于马尔堡的马克斯-普朗克陆地微生物研究所的约翰内斯-雷贝林（Johannes Rebelein）领导的研究人员最近发现，一些氮酶还能处理另一种重要的底物：它们能将温室气体二氧化碳还原成碳氢化合物（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、碳中性的生物生产，研究小组希望了解以下信息：酶对二氧化碳和氮气的分辨能力如何？在N2 上生长的微生物是否也能在正常生理条件下减少CO2？
为了回答这些问题，研究人员重点研究了光合细菌荚膜红细菌，这种细菌含有两种同工酶：钼（Mo）氮酶和铁（Fe）氮酶。研究人员分离了这两种氮酶，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，铁制氮酶还原二氧化碳的效率实际上是含钼制氮酶的三倍，并能在大气二氧化碳浓度下产生甲酸和甲烷。
当同时向这两种酶提供二氧化碳和氮气时，另一个重要的区别就显现出来了：莫-氮酶选择性地还原氮气，而铁-氮酶则倾向于选择二氧化碳作为底物。
"通常情况下，酶的反应速度越快，准确性就越低。有趣的是，钼-氮酶的反应速度更快，选择性更强，显示出它在还原N2 方面的优势。"约翰内斯-雷贝林实验室的博士生、该研究的合著者弗雷德里克-施密特（Frederik Schmidt）说："铁氮酶的特异性较低，而且偏爱二氧化碳，这使它成为开发新型二氧化碳还原酶的一个很有前途的起点。"
选择性低并不是唯一的惊喜。"我们分析了电子的哪一部分最终进入哪种产物，发现即使没有向培养物中添加额外的二氧化碳，细菌也会分泌甲烷和高浓度的甲酸，这些甲烷和甲酸是由铁氮酶转化二氧化碳产生的：代谢产生的二氧化碳足以驱动这一过程。"这项研究的共同第一作者尼尔斯-奥赫尔曼（Niels Oehlmann）说："这一发现表明，铁氮酶催化的二氧化碳还原在自然界中可能确实很普遍。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。"
这项研究挑战了将氮酶视为真正的氮转化酶的传统观点。Johannes Rebelein说，像R.capsulatus这样的光合细菌利用光能刺激氮酶转化温室气体二氧化碳，不仅能对环境产生影响，还能在社会向可持续循环经济转变的过程中发挥关键作用。
"我们的想法是，可以将微生物光合装置捕获的阳光能量储存在氮酶产生的碳氢化合物中。今后，我们希望进一步开发铁制氮酶，以便将其用于二氧化碳的固定和利用。"
编译自/ScitechDaily