氮是一种必需的化合物氨基酸和核酸都是细胞生长和功能所必需的。虽然大气中近80%是由氮组成的，但这些氮是以二氮(N)的形式存在的2)， 大多数生物都无法处理。大气中的氮必须首先被转化或“固定”成一种可以被植物利用的形式，通常是氨。

　　固定氮的方法只有两种，一种是工业的，一种是生物的。为了更好地理解生物过程的一个关键组成部分，加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学教授Akif Tezcan和化学和生物化学助理教授Mark Herzik采取了多管齐下的方法。他们的研究成果发表在《自然》杂志上。

　　工业方法是通过哈伯-博世方法，该方法在20世纪初出现，使合成肥料的大规模生产成为可能，提高了农业产量，并帮助世界人口飙升。然而，这个过程是能源密集型的，在非常高的温度和压力下操作。它还需要大量的氢，由燃烧化石燃料产生，并造成大量的温室气体排放。

　　固氮的生物途径是由重氮营养体完成的，固氮细菌含有一种叫做固氮酶的酶。与Haber-Bosch工艺相反，氮酶可以在环境压力和温度下催化，并且不会产生温室气体排放。

　　然而，氮酶也需要大量的生化燃料，以产生能量的三磷酸腺苷（ATP）的形式。大多数重氮营养体通过“燃烧”氧气的细胞呼吸产生大量ATP——尽管氮酶对氧气极其敏感。长期以来，科学家们一直想知道重氮营养体是如何通过燃烧氧气来产生ATP的，同时保护氮酶不被氧气破坏的。

　　重氮营养物有适当的安全机制；然而，即使有了这些保护措施，一些氧气进入固氮细胞是不可避免的。当这种情况发生时，一些重氮营养体采用一种“最后手段”来保护氮酶免受破坏，称为构象保护机制。

　　在这里，一种名为FeSII的铁硫蛋白感知到细胞中氧气的增加，并与氮酶复合物结合，保护其免受损害并停止氨的产生。当细胞内的氧气水平下降时，FeSII再次感觉到这一点，与氮酶分离，氨的生产继续进行。

　　尽管科学家们早就知道FeSII蛋白，但它保护氮酶免受氧损伤的机制尚不清楚。为了回答这些问题，研究人员采用了几种技术，这些技术共同提供了对这一机制如何工作的详细见解。

　　第一作者Sarah Narehood是一名联合研究生，她在Tezcan和Herzik实验室工作，学习氮酶的行为，同时也利用低温电子显微镜（cryoEM）技术的发展。

　　该团队使用了一种称为单粒子重建的低温电镜方法，使他们能够在FeSII存在的情况下对氮酶蛋白混合物进行近原子水平的快照。通过这样做，他们能够可视化这些结构，清楚地揭示了FeSII夹在另外两种氮酶蛋白之间，将它们粘合在一起形成细丝。这种夹心阻挡了氧气接近氮酶蛋白的敏感金属辅因子，同时也诱导了休眠。

　　虽然这解释了氮酶是如何免受氧气暴露的，但它并没有解释FeSII是如何能够首先感知氧气水平的。为了揭示这一点，研究小组使用了另一种称为小角度x射线散射（SAXS）的技术，使用了位于斯坦福同步辐射光源的仪器。

　　SAXS实验表明，在有氧和无氧的情况下，FeSII的形状都会发生变化。在氧气存在的情况下，FeSII的形状在其他蛋白质之间完美契合，将它们夹在一起形成细丝。当氧水平下降时，FeSII的结构松弛，导致纤维的解离和氮酶的重新激活。

　　研究人员还使用了一种分析型超离心机，由于其旋转速度之快，本质上是离心机的“一级方程式”。在分析型超离心机中，蛋白质颗粒以不同的速度沉降到底部——较重的颗粒沉降得快，而较轻的颗粒沉降得慢。这种方法使研究人员能够分析不同蛋白质的质量，进一步证实当FeSII感知氧气时，它会将其他氮酶蛋白质粘合成更大的组装体和细丝。

　　现在他们已经发现了FeSII保护氮酶免受氧气伤害的机制，研究小组想要在活细胞中捕捉到它的作用。为了做到这一点，他们想要使用低温电子显微镜断层扫描，这将允许在整个重氮营养细胞固定氮的过程中进行三维可视化，以及体内氧气保护机制。

　　尽管氮酶是生物圈中最重要的酶之一，但其功能的分子细节在很大程度上仍是未知的。解决构象保护机制的细节提供了一个重要的拼图，具有重要的实际意义。

　　Tezcan说：“如果氮酶机制可以被编码到植物细胞中，这样它们就不需要人工肥料，这可能意味着在不牺牲农业产量的情况下减少温室气体排放。”

　　这对一个受污染的星球上不断增长的人口至关重要。

　　作者完整名单：Sarah M. Narehood, Brian D. Cook, Suppachai Srisantitham, Vanessa H. Eng, Kelly L. McGuire, Mark A. Herzik和F. Akif Tezcan（均为加州大学圣地亚哥分校）；Angela A. Shiau和R. David Britt（都是加州大学戴维斯分校）。

　　本研究得到了美国国立卫生研究院（R01-GM148607， R35-GM138206和R35-GM126961），美国国家航空航天局（80NSSC18M0093），美国国家科学基金会（DGE-2038238），塞尔学者计划和加州大学圣地亚哥分校接口培训（T32 EB009380）的部分支持。