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荷德团队破解红菌核心酶结构 主流厌氧氨氧化指日可待?

北极星水处理网  来源:JIEI创新实验室  作者:瓦村农夫  2021/7/21 10:32:11  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:厌氧氨氧化 硝态氮 脱氮

北极星水处理网讯:今年5月,荷兰著名的微生物学教授Mike Jetten教授他在Twitter预告说最近会有一个关于厌氧氨氧化的大新闻(小编竟然是唯一转发了他的推的粉丝)。

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结果上周末,小编看到了他的推特更新后,我的反应跟麻辣鸡姐姐这张动图差不多。

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让小编震惊不已的是Mike Jetten教授和德国马普所三个分所的团队联合在Nature Microbiology的一篇最新论文:

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题目看似其貌不扬,说的是一种多蛋白复合体,里边有种酶,它能够在细胞内形成丝状物,将亚硝酸盐氧化成硝态氮,这篇文章讲的就是在这些酶复合体的结构和功能表征。

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此文一出,业界小圈子内一片欢腾。究竟他们在这个酶发现了什么惊天秘密呢?

百年脱氮教条又要改写

这次研究阵容鼎盛,马普所三个研究——海德堡的医学研究院、不莱梅的海洋微生物研究院和法兰克福的生物物理研究院的科学家都参与其中,另外也少不了荷兰Radboud大学的Mike Jetten的团队。他们成功确认了一种产硝态氮的酶的结构。这种酶叫亚硝酸盐氧化还原酶(nitrite oxidoreductase),简称NXR酶。微生物用这种酶,将有毒的亚硝态氮转化成硝态氮。

有数据显示,地球上有约6000亿吨亚硝酸盐,其中大部分都是由NXR酶将亚硝态氮氧化而成的。可以说,NXR酶是全球氮循环的关键组成。显然,NOB菌(亚硝酸盐氧化菌)肯定有这种酶,同样,小编5年前报道的一种叫Comammox的单步硝化菌也有这种酶。

但你是否知道,厌氧氨氧化菌,也就是anammox菌,居然也有这种酶!这次荷德联合团队的工作,就是要研究厌氧氨氧化菌的NXR的结构。

前所未见的酶结构

其实学界早就知道NXR酶很重要,说它是氮循环的核心部分也不为过,但受限于分析手段,过去大家对它的运作机理知之甚少。Mike Jetten说大家已经用了超过10年时间来去绘制anammox菌中的NXR酶的分子结构。

经过两代人的努力,他们终于有了重大突破。

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上图左侧是他们用电镜得到的anammox菌(CandidatusK. stuttgartiensis)切片图,里边虚线圈起来的就是NXR酶复合体。右侧是复合体的放大后的模样,可以看到这是多个NXR酶单元组合而成的螺旋状结构。

这些NXR单元的堆叠方式前所未见,合起来的模样有点像我们人脊柱的骨头。在小编看来,则有点像小时候玩的层层叠积木。作者们说这像是一个天才建筑师构思出的摩天大楼的模样,他们还特意把NXR酶复合体的3D模型打印了出来!

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在这次研究里,他们使用了冷冻电子断层扫描(Cryo-electron tomography)和螺旋重建(helical reconstruction)等技术。马普所生物物理研究所的Kristian Parey博士是这方面的专家,他也参与这个项目,他在接受采访时表示,分析结果显示NXR酶在anammox细胞中生成这些不同寻常的管状结构,就像长纤维一样。

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尽管它们的功能目前尚不清楚,但单个NXR分子的结构已经很清晰了:在其一侧,有一个凹位,亚硝酸盐被固定在那里,然后转化成硝酸盐,他们称那位置叫“活性口袋(active pocket)”。反应产生电子,沿着类似电流线的路径,传输到NXR分子的另一侧,这些电子离开分子后,随即被其他分子用于细胞代谢。

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马普所医学研究院相关课题组组长Thomas Barends在接受采访时说:“关于NXR的研究其实已经有几十年了的时间了,但过去我们其实并不知道NXR分子究竟长啥样的。现在我们终于看到这些分子的具体结构了,这会有助我们更好理解这些酶的运作机理。而且,这些发现对我们了解蛋白在细胞内的工作机理也很有帮助。”

对于污水处理的意义

NXR酶结构的发现,对污水处理界也有着重要的影响。Boran Kartal博士曾是Mike Jetten教授的学生,如今他任职于马普所海洋微生物学研究所的相关课题组组长。他是这么说的:“在此之前,在anammox菌中的亚硝酸盐氧化和亚硝酸盐还原的关系一直是个谜。这项研究可是迈出了一大步,它使我们进一步了解这些微生物如何巧妙地获取能量,然后用于自身生长。”

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Jetten教授则表示,“Anammox菌需要这种酶来生长,但它的生长速度很慢。现在我们(知道了NXR的结构后)可能就能够找到方法,来减少这个限制因素对生长速率的影响,然后在更小又更快的反应器中应用这种细菌。”

Jetten教授的话可是一语激活亿万市场,因为过去十年,主流厌氧氨氧化的污水处理技术是学界和工程界一直在追求的目标。NXR酶的工作原理必然能帮助工程师在设计生物反应器时,为anammox菌创造更好的生长条件。

充满跨界的未来

小编认为,发现NXR酶结构也许只是真正认识anammox菌的开始而已,因为科学家在anammox菌身上不断刷新三观认知。

早在一年前,Jetten教授和沙特KAUST大学的团队就联合在《Nature Communication》上发表过另外一篇重磅论文——他们发现anammox菌可以在没有NO2-、NO3-的情况下,直接用固态电子受体来完成NH4+的氧化。

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大家是否发现上边的反应方程式里有一个N2H4的物质?它叫肼(hydrazine),是火箭燃料的常见组分。

Anammox菌能产肼?这意味着未来的污水资源回收工厂又可以多一条可能的业务线——去生产火箭燃料!

对科学家们来说,anammox菌可以绕过NXR酶完成氨氮的脱氢氧化已经够神奇的了,因为肼其实毒性挺强的,而anammox菌居然还用它作为中间产物和代谢燃料。Jetten教授表示,他们将会去研究如果更高效地绕过NXR酶去生成肼。

Jetten的话其实真的是打开脑洞——当你培养出足够多的anamox菌之后,生长速率就不是你关注的问题了,如何合成更多的肼就变成下一代的微生物学家和环境工程师要去为之奋斗的新挑战了。

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