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细菌中的燃料电池

发布日期: 2019-04-22
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大气和有机物之间的氮交换对地球上的生命至关重要,因为氮是蛋白质和DNA等基本分子的主要成分。 

细菌中的燃料电池
氮循环(左)和厌氧氨氧化细菌如何促进亚硝酸盐转化为氮气(右).

仅在20世纪90年代发现的这种交换的一个主要途径是在某些细菌中发现的厌氧氨氧化途径。它通过肼进行,肼是人类用作火箭燃料的高反应性物质。马克斯普朗克医学研究所的研究人员与来自荷兰马克斯普朗克生物物理研究所和Radboud大学的科学家合作,现在描述了该过程中后一步的酶结构:将肼转化为氮气并收获以这种方式释放的能量。刚刚发表在“科学进步”杂志上的这些结果显示了一个的血红素基团网络,用于处理化学转化过程中释放的大量电子。

生物地球化学氮循环

氮气(N2)形式的氮气占我们大气的80%左右,但作为一种元素,氮气仅在地壳中少量存在。然而,所有生物都需要氮,因为它是大部分必需分子的一部分。然而,它们不能直接使用大气氮并且需要不同的化学形式。许多细菌通过产生更多反应形式的氮来进行这种转化并有助于生化氮循环(图像)。

Anammox细菌 - 通过中间的捷径

在20世纪90年代,科学家发现了一种叫做厌氧氨氧化(anammox)的细菌过程。 “我们现在相信这个过程是每年从海洋中去除氮的30%到70%的原因,”海德堡医学研究MPI组织负责人Thomas Barends解释道。 “由于这种特性,厌氧氨氧化细菌被用于世界各地的可持续废水处理,”Radboud大学的Cornelia Welte补充道。在此过程中,细菌将亚硝酸盐和氨转化为二氮(N2)和水,同时为细胞产生能量。分子肼在中间步骤中产生。肼是火箭燃料的常见成分,但由于其高毒性,细菌作为代谢燃料的使用相当奇特 - 并且在生物体中令人惊讶。韦尔特:“到目前为止,肼只在厌氧氨氧化物中发现,而在其他细菌中却没有。”直到近,关于这些细菌如何利用肼转化过程中释放的能量知之甚少。

此前,该研究小组及其合作者已经描述了酶肼合成酶和羟胺氧化还原酶的结构。研究人员现在通过描述肼脱氢酶的晶体结构进一步解开厌氧谜题,肼脱氢酶是将毒性肼转化为无害的二氮气体的酶。 “肼的使用以及肼脱氢酶的结构都非常独特,因此详细揭示生物过程非常重要,”Welte解释说。

从有毒火箭燃料到无害氮 - 肼脱氢酶(HDH)复合物

“人们可以将HDH复合物与具有仅适合某些类型插头的电源插座的燃料电池进行比较,”Thomas Barends说道,他描述了HDH的结构和机制。 “燃料”肼通过外部通道进入蛋白质复合物。然后该酶通过192个血红素基团的的大网络催化肼转化为氮气。然后电子被带到细菌的其他部分,就像电流传递给电气消费者一样。然后这些消费者产生细胞的能量。

缩小差距

“我们正在努力寻找能够吸收储存在血红素网络中的电子的蛋白质,”该研究的作者,Barends小组的博士后Mohd Akram说。从他们观察到的结构中,他们预计只有小蛋白质可以进入复合物,在内部的空心空间中吸收电子,并再次离开。选择哪些蛋白质可以接近电子可以帮助确保电子被带到正确的位置以用于电池中的能量产生。

肼:也叫联氨。有机化合物,化学式NH2NH2。无色油状液体,在空气中发烟,具有氨的气味,剧毒。是一种强还原剂,可将碱溶液中的金属离子还原成单质,可用于镜面镀银、塑料和玻璃上镀金属膜。并可用作火箭燃料、显像剂、抗氧剂、制药等。

羟胺:有机化合物,化学式NH2OH。白色薄片状、针状晶体或无色油状液体,有腐蚀性。可用作还原剂或用于有机合成。也叫胲。
Fuel cells in bacteria
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