對生命至關重要的氮酶也能將二氧化碳還原成有價值的化學物質。新研究發現，鐵-氮酶在這過程中更為有效，為永續生物技術帶來了機會。氮酶是地球上最重要的地球化學酶之一，以氨（NH3）的形式為所有生命形式提供生物可用氮。有些氮酶還能直接將二氧化碳轉化為碳氫化合物，這使它們成為開發生物技術過程的一個令人興奮的目標。

莢膜紅菌（R.capsulatus）的液體培養物。這種模式細菌以光養菌為生，即透過光合作用獲取能量。由馬克斯-普朗克（Max Planck）科學家約翰內斯-雷貝林（Johannes Rebelein）領導的研究人員發現，莢膜紅細菌中的鐵（Fe）-氮酶即使在生理條件下也能將二氧化碳還原成甲酸鹽和甲烷，而這種轉化對於永續生物經濟具有潛在的高價值：在光營養生物體中實現這種過程可以使二氧化碳在光的驅動下轉化成有用的化學物質。圖片來源：馬克斯-普朗克陸地微生物研究所/蓋塞爾

由馬克斯-普朗克（Max Planck）科學家約翰內斯-雷貝林（Johannes Rebelein）領導的德國馬爾堡研究小組現已全面了解了氮酶的底物特異性和偏好。他們的研究成果挑戰了人們目前對氮酶的認識，凸顯了氮酶在永續生物生產方面的潛力。

氮是構成細胞的主要成分之一。然而，地球上的大部分氮是以氣態N2的形式存在的， 細胞在化學上無法被利用。只有一個酵素家族能夠將N2 轉化為生物可利用的氨（NH3）形式：氮酶。

位於馬爾堡的馬克斯-普朗克陸地微生物研究所的約翰內斯-雷貝林（Johannes Rebelein）領導的研究人員最近發現，一些氮酶還能處理另一種重要的底物：它們能將溫室氣體二氧化碳還原成碳氫化合物（甲烷、乙烯、乙烷）和甲酸。所有這些產品都是潛在的能源和重要的工業化學品。為了實現可持續的、碳中和中性的生物生產，研究小組希望了解以下資訊：酵素對二氧化碳和氮氣的分辨能力如何？在N2 上生長的微生物是否也能在正常生理條件下減少CO2？

為了回答這些問題，研究人員重點研究了光合細菌莢膜紅細菌，這種細菌含有兩種同工酶：鉬（Mo）氮酶和鐵（Fe）氮酶。研究人員分離了這兩種氮酶，並透過生化測試比較了它們的二氧化碳還原能力。他們發現，鐵製氮酶還原二氧化碳的效率其實是含鉬製氮酶的三倍，並能在大氣二氧化碳濃度下產生甲酸和甲烷。

當同時向這兩種酵素提供二氧化碳和氮氣時，另一個重要的差異就顯現出來了：莫-氮酶選擇性地還原氮氣，而鐵-氮酶則傾向於選擇二氧化碳作為底物。

“通常情況下，酶的反應速度越快，準確性就越低。有趣的是，鉬-氮酶的反應速度更快，選擇性更強，顯示出它在還原N2 方面的優勢。”約翰內斯-雷貝林實驗室的博士生、該研究的合著者弗雷德里克-施密特（Frederik Schmidt）說：”鐵氮酶的特異性較低，而且偏愛二氧化碳，這使它成為開發新型二氧化碳還原酶的一個有前途的起點。

選擇性低並不是唯一的驚喜。 「我們分析了電子的哪一部分最終進入哪種產物，發現即使沒有在培養物中添加額外的二氧化碳，細菌也會分泌甲烷和高濃度的甲酸，這些甲烷和甲酸是由鐵氮酶轉化二氧化碳產生的：代謝產生的二氧化碳足以驅動這一過程。可能確實很普遍。

這項研究挑戰了將氮酶視為真正的氮轉化酶的傳統觀點。 Johannes Rebelein說，像R.capsulatus這樣的光合細菌利用光能刺激氮酶轉化溫室氣體二氧化碳，不僅能對環境產生影響，還能在社會轉變為永續循環經濟的過程中發揮關鍵作用。

“我們的想法是，可以將微生物光合裝置捕獲的陽光能量儲存在氮酶產生的碳氫化合物中。今後，我們希望進一步開發鐵製氮酶，以便將其用於二氧化碳的固定和利用。”

編譯自/ ScitechDaily