荷德團隊破解紅菌核心酶結構 主流厭氧氨氧化指日可待？
今年5月，荷蘭著名的微生物學教授Mike Jetten教授他在Twitter預告說最近會有一個關于厭氧氨氧化的大新聞(小編竟然是唯一轉發(fā)了他的推的粉絲)。
結果上周末，小編看到了他的推特更新后，我的反應跟麻辣雞姐姐這張動圖差不多。
讓小編震驚不已的是Mike Jetten教授和德國馬普所三個分所的團隊聯(lián)合在Nature Microbiology的一篇最新論文：
題目看似其貌不揚，說的是一種多蛋白復合體，里邊有種酶，它能夠在細胞內(nèi)形成絲狀物，將亞硝酸鹽氧化成硝態(tài)氮，這篇文章講的就是在這些酶復合體的結構和功能表征。
此文一出，業(yè)界小圈子內(nèi)一片歡騰。究竟他們在這個酶發(fā)現(xiàn)了什么驚天秘密呢？
百年脫氮教條又要改寫
這次研究陣容鼎盛，馬普所三個研究——海德堡的醫(yī)學研究院、不萊梅的海洋微生物研究院和法蘭克福的生物物理研究院的科學家都參與其中，另外也少不了荷蘭Radboud大學的Mike Jetten的團隊。他們成功確認了一種產(chǎn)硝態(tài)氮的酶的結構。這種酶叫亞硝酸鹽氧化還原酶(nitrite oxidoreductase)，簡稱NXR酶。微生物用這種酶，將有毒的亞硝態(tài)氮轉化成硝態(tài)氮。
有數(shù)據(jù)顯示，地球上有約6000億噸亞硝酸鹽，其中大部分都是由NXR酶將亞硝態(tài)氮氧化而成的。可以說，NXR酶是全球氮循環(huán)的關鍵組成。顯然，NOB菌(亞硝酸鹽氧化菌)肯定有這種酶，同樣，小編5年前報道的一種叫Comammox的單步硝化菌也有這種酶。
但你是否知道，厭氧氨氧化菌，也就是anammox菌，居然也有這種酶！這次荷德聯(lián)合團隊的工作，就是要研究厭氧氨氧化菌的NXR的結構。
前所未見的酶結構
其實學界早就知道NXR酶很重要，說它是氮循環(huán)的核心部分也不為過，但受限于分析手段，過去大家對它的運作機理知之甚少。Mike Jetten說大家已經(jīng)用了超過10年時間來去繪制anammox菌中的NXR酶的分子結構。
經(jīng)過兩代人的努力，他們終于有了重大突破。
上圖左側是他們用電鏡得到的anammox菌(CandidatusK. stuttgartiensis)切片圖，里邊虛線圈起來的就是NXR酶復合體。右側是復合體的放大后的模樣，可以看到這是多個NXR酶單元組合而成的螺旋狀結構。
這些NXR單元的堆疊方式前所未見，合起來的模樣有點像我們?nèi)思怪墓穷^。在小編看來，則有點像小時候玩的層層疊積木。作者們說這像是一個天才建筑師構思出的摩天大樓的模樣，他們還特意把NXR酶復合體的3D模型打印了出來！
在這次研究里，他們使用了冷凍電子斷層掃描(Cryo-electron tomography)和螺旋重建(helical reconstruction)等技術。馬普所生物物理研究所的Kristian Parey博士是這方面的專家，他也參與這個項目，他在接受采訪時表示，分析結果顯示NXR酶在anammox細胞中生成這些不同尋常的管狀結構，就像長纖維一樣。
盡管它們的功能目前尚不清楚，但單個NXR分子的結構已經(jīng)很清晰了：在其一側，有一個凹位，亞硝酸鹽被固定在那里，然后轉化成硝酸鹽，他們稱那位置叫“活性口袋(active pocket)”。反應產(chǎn)生電子，沿著類似電流線的路徑，傳輸?shù)絅XR分子的另一側，這些電子離開分子后，隨即被其他分子用于細胞代謝。
馬普所醫(yī)學研究院相關課題組組長Thomas Barends在接受采訪時說：“關于NXR的研究其實已經(jīng)有幾十年了的時間了，但過去我們其實并不知道NXR分子究竟長啥樣的。現(xiàn)在我們終于看到這些分子的具體結構了，這會有助我們更好理解這些酶的運作機理。而且，這些發(fā)現(xiàn)對我們了解蛋白在細胞內(nèi)的工作機理也很有幫助。”
對于污水處理的意義
NXR酶結構的發(fā)現(xiàn)，對污水處理界也有著重要的影響。Boran Kartal博士曾是Mike Jetten教授的學生，如今他任職于馬普所海洋微生物學研究所的相關課題組組長。他是這么說的：“在此之前，在anammox菌中的亞硝酸鹽氧化和亞硝酸鹽還原的關系一直是個謎。這項研究可是邁出了一大步，它使我們進一步了解這些微生物如何巧妙地獲取能量，然后用于自身生長。”
Jetten教授則表示，“Anammox菌需要這種酶來生長，但它的生長速度很慢。現(xiàn)在我們(知道了NXR的結構后)可能就能夠找到方法，來減少這個限制因素對生長速率的影響，然后在更小又更快的反應器中應用這種細菌。”
Jetten教授的話可是一語激活億萬市場，因為過去十年，主流厭氧氨氧化的污水處理技術是學界和工程界一直在追求的目標。NXR酶的工作原理必然能幫助工程師在設計生物反應器時，為anammox菌創(chuàng)造更好的生長條件。
充滿跨界的未來
小編認為，發(fā)現(xiàn)NXR酶結構也許只是真正認識anammox菌的開始而已，因為科學家在anammox菌身上不斷刷新三觀認知。
早在一年前，Jetten教授和沙特KAUST大學的團隊就聯(lián)合在《Nature Communication》上發(fā)表過另外一篇重磅論文——他們發(fā)現(xiàn)anammox菌可以在沒有NO2-、NO3-的情況下，直接用固態(tài)電子受體來完成NH4+的氧化。
大家是否發(fā)現(xiàn)上邊的反應方程式里有一個N2H4的物質？它叫肼(hydrazine)，是火箭燃料的常見組分。
Anammox菌能產(chǎn)肼？這意味著未來的污水資源回收工廠又可以多一條可能的業(yè)務線——去生產(chǎn)火箭燃料！
對科學家們來說，anammox菌可以繞過NXR酶完成氨氮的脫氫氧化已經(jīng)夠神奇的了，因為肼其實毒性挺強的，而anammox菌居然還用它作為中間產(chǎn)物和代謝燃料。Jetten教授表示，他們將會去研究如果更高效地繞過NXR酶去生成肼。
Jetten的話其實真的是打開腦洞——當你培養(yǎng)出足夠多的anamox菌之后，生長速率就不是你關注的問題了，如何合成更多的肼就變成下一代的微生物學家和環(huán)境工程師要去為之奮斗的新挑戰(zhàn)了。
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