固氮过程
氮
是我们都非常熟悉的元素，它是
构成氨基酸和核酸的基础元素
。在地球的大气中，约
78%是由氮气
（N₂）
构成的。尽管氮气如此丰富，
但这种稳定的分子形式却无法被大多数生物直接利用。氮气必须通过固氮过程转化为氨
（NH₃）
或可被生物吸收的铵离子
（NH₄⁺）
。
固氮途径仅有两种：
工业固氮
和
生物固氮
。工业固氮通过
哈伯-博施法
实现，这项技术诞生于20世纪初，大幅推动了化肥的生产和农业产量增长。然而，工业固氮过程能耗极高，需要在高温高压运行，并依赖化石燃料产生大量氢气，同时伴随大量温室气体的排放。
相比之下，生物固氮是通过一类被称为
固氮生物
（diazotrophs）
的细菌利用
固氮酶
完成的。固氮酶能够在常温常压下催化固氮反应，而且不会产生温室气体。但固氮酶需要消耗大量的三磷酸腺苷
（ATP）
作为能量来源。为了满足这一需求，大多数固氮生物通过“燃烧”氧气生成ATP。
然而，矛盾的是，固氮酶对氧气极为敏感，在暴露于氧气后会迅速失活。
这种矛盾引发了一个长期未解的科学问题：固氮生物是如何在需要氧气生成能量的同时，又能有效保护固氮酶免受氧气损害的
？
近日发表于《自然》杂志的一项研究解决了这一科学难题，揭示了一种名为FeSII的关键蛋白在保护固氮酶免受氧气破坏中的作用。
固氮酶的秘密
固氮酶是一种大型且复杂的酶，它们由
铁蛋白
和
钼铁蛋白
两种组分构成，
铁蛋白和钼铁蛋白都会在氧气的存在下失去活性
。因此，固氮生物发展出了多种机制来应对氧气的威胁。
尽管如此，氧气仍可能渗入固氮细胞。当氧气浓度升高时，这些生物会启动“最后手段”——
构象保护机制
，以确保固氮酶免受破坏。过去的研究表明，一种名为FeSII的铁硫蛋白在此过程中扮演了重要角色。
FeSII能与铁蛋白和钼铁蛋白形成了一个保护性
复合物
。当FeSII感知到氧气浓度升高时，它会与固氮酶结合，使铁蛋白和钼铁蛋白的活性被暂时抑制，保护其免受氧气的损害，同时暂停氨的产生；一旦氧气威胁消除，FeSII会从复合物中解离，使铁蛋白和钼铁蛋白恢复活性，并恢复氨的生产。
FeSII的保护机制
尽管科学家早在50多年前就已知道FeSII的存在，但尚不清楚它是如何保护固氮酶免受氧气破坏的。为了揭开这个谜团，研究团队采用了多种尖端技术，深入解析了这一机制的运作原理。
利用冷冻电镜术，研究团队捕捉到了FeSII与固氮酶蛋白的混合物的近原子级图像。他们观察到，
FeSII夹在两种固氮酶蛋白之间，将它们连接成丝状结构
。这种结构有效阻隔了氧气接触固氮酶的金属辅因子，同时诱导了酶的休眠状态。
此外，为了探究FeSII如何感知氧气水平，研究团队进一步使用了小角度X射线散射
（SAXS）
技术。结果显示，
FeSII无论在氧气存在或不存在的情况下，都会发生形状变化
。在氧气充足时，FeSII的形状变化能使其与其他蛋白紧密结合，形成丝状结构；而当氧气减少时，FeSII的结构会变得松弛，丝状结构解体，固氮酶重新被激活。
为了进一步确认FeSII的功能，研究团队还使用有着极快旋转速度的分析超离心机进行实验。在超离心机中，不同质量的蛋白质颗粒以不同的速度沉降——质量较大的颗粒沉降速度更快，而质量较小的颗粒则沉降较慢。通过这一方法，研究人员成功分析了蛋白质的质量变化，并进一步验证了
当
FeSII感知到氧气时，它会促使其他固氮酶蛋白结合，形成更大的复合物和细丝结构
。
应用潜力
