荷德團(tuán)隊(duì)破解紅菌核心酶結(jié)構(gòu) 主流厭氧氨氧化指日可待？

水處理網(wǎng)訊:今年5月，荷蘭著名的微生物學(xué)教授Mike Jetten教授他在Twitter預(yù)告說最近會(huì)有一個(gè)關(guān)于厭氧氨氧化的大新聞(小編竟然是唯一轉(zhuǎn)發(fā)了他的推的粉絲)。

結(jié)果上周末，小編看到了他的推特更新后，我的反應(yīng)跟麻辣雞姐姐這張動(dòng)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(gè)分所的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在Nature Microbiology的一篇最新論文：

題目看似其貌不揚(yáng)，說的是一種多蛋白復(fù)合體，里邊有種酶，它能夠在細(xì)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(fù)合體的結(jié)構(gòu)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?cè)谶@個(gè)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(gè)研究——海德堡的醫(yī)學(xué)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(xué)家都參與其中，另外也少不了荷蘭Radboud大學(xué)的Mike Jetten的團(tuán)隊(duì)。他們成功確認(rèn)了一種產(chǎn)硝態(tài)氮的酶的結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)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?？梢哉f，NXR酶是全球氮循環(huán)的關(guān)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(bào)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(tuán)隊(duì)的工作，就是要研究厭氧氨氧化菌的NXR的結(jié)構(gòu)。

前所未見的酶結(jié)構(gòu)

其實(shí)學(xué)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(duì)它的運(yùn)作機(jī)理知之甚少。Mike Jetten說大家已經(jīng)用了超過10年時(shí)間來去繪制anammox菌中的NXR酶的分子結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過兩代人的努力，他們終于有了重大突破。

上圖左側(cè)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(fù)合體。右側(cè)是復(fù)合體的放大后的模樣，可以看到這是多個(gè)NXR酶單元組合而成的螺旋狀結(jié)構(gòu)。

這些NXR單元的堆疊方式前所未見，合起來的模樣有點(diǎn)像我們?nèi)思怪墓穷^。在小編看來，則有點(diǎn)像小時(shí)候玩的層層疊積木。作者們說這像是一個(gè)天才建筑師構(gòu)思出的摩天大樓的模樣，他們還特意把NXR酶復(fù)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(shù)。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(gè)項(xiàng)目，他在接受采訪時(shí)表示，分析結(jié)果顯示NXR酶在anammox細(xì)胞中生成這些不同尋常的管狀結(jié)構(gòu)，就像長纖維一樣。

盡管它們的功能目前尚不清楚，但單個(gè)NXR分子的結(jié)構(gòu)已經(jīng)很清晰了：在其一側(cè)，有一個(gè)凹位，亞硝酸鹽被固定在那里，然后轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，他們稱那位置叫“活性口袋(active pocket)”。反應(yīng)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(cè)，這些電子離開分子后，隨即被其他分子用于細(xì)胞代謝。

馬普所醫(yī)學(xué)研究院相關(guān)課題組組長Thomas Barends在接受采訪時(shí)說：“關(guān)于NXR的研究其實(shí)已經(jīng)有幾十年了的時(shí)間了，但過去我們其實(shí)并不知道NXR分子究竟長啥樣的?，F(xiàn)在我們終于看到這些分子的具體結(jié)構(gòu)了，這會(huì)有助我們更好理解這些酶的運(yùn)作機(jī)理。而且，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)我們了解蛋白在細(xì)胞內(nèi)的工作機(jī)理也很有幫助?！?/p>

對(duì)于污水處理的意義

NXR酶結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(xué)生，如今他任職于馬普所海洋微生物學(xué)研究所的相關(guān)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(guān)系一直是個(gè)謎。這項(xiàng)研究可是邁出了一大步，它使我們進(jìn)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?，F(xiàn)在我們(知道了NXR的結(jié)構(gòu)后)可能就能夠找到方法，來減少這個(gè)限制因素對(duì)生長速率的影響，然后在更小又更快的反應(yīng)器中應(yīng)用這種細(xì)菌?！?/p>

Jetten教授的話可是一語激活億萬市場，因?yàn)檫^去十年，主流厭氧氨氧化的污水處理技術(shù)是學(xué)界和工程界一直在追求的目標(biāo)。NXR酶的工作原理必然能幫助工程師在設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器時(shí)，為anammox菌創(chuàng)造更好的生長條件。

充滿跨界的未來

小編認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)NXR酶結(jié)構(gòu)也許只是真正認(rèn)識(shí)anammox菌的開始而已，因?yàn)榭茖W(xué)家在anammox菌身上不斷刷新三觀認(rèn)知。

早在一年前，Jetten教授和沙特KAUST大學(xué)的團(tuán)隊(duì)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(yīng)方程式里有一個(gè)N2H4的物質(zhì)？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(wù)線——去生產(chǎn)火箭燃料！

對(duì)科學(xué)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?yàn)殡缕鋵?shí)毒性挺強(qiáng)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(huì)去研究如果更高效地繞過NXR酶去生成肼。

Jetten的話其實(shí)真的是打開腦洞——當(dāng)你培養(yǎng)出足夠多的anamox菌之后，生長速率就不是你關(guān)注的問題了，如何合成更多的肼就變成下一代的微生物學(xué)家和環(huán)境工程師要去為之奮斗的新挑戰(zhàn)了。