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World File Search System固氮酶
利用定向光诱导固氮酶的人工激活
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量子计算也许能拯救地球
¹概述了将可再生氢以氨的形式输出的拟议路线，以及固氮酶如何缩短这一多步骤过程。²目前使用通过水电解产生的 H₂ 生产 NH₃ 的模型，即通过哈伯-博施工艺。³使用固氮酶的工艺概述。纯化的 N₂ 原料通过太阳能固氮酶生物反应器转化为氨和氢。使用钒基膜分离 NH₃ 和 H₂，分别用于出口或本地使用。资料来源：Trevor D. Rapson 等人，“深入了解用于绿色氨生产的固氮酶生物电催化”，ChemSusChem，2020 年，第 13 卷，第 18 期
一种增强荚膜红细菌产氢的定向基因组进化方法
光合细菌（如红细菌）的固氮酶依赖性 H 2 生成已被广泛研究。使用基因操作增加 H 2 产量的一个重要限制是缺乏高通量筛选方法来检测可能的过量生产突变体。之前，我们设计了红细菌菌株，使其在 H 2 反应中发出荧光，并利用它们来识别导致 H 2 过量生产的固氮酶 Fe 蛋白突变。在这里，我们使用紫外线在工程 H 2 感应菌株的基因组中诱导随机突变，并使用荧光激活细胞分选从含有 5 × 10 5 突变体的文库中检测和分离 H 2 过量生产细胞。三轮诱变和菌株选择逐渐使 H 2 产量增加了 3 倍。对五种 H 2 过量生产菌株的全基因组进行了测序，并与亲本感应菌株的全基因组进行了比较，以确定 H 2 过量生产的基础。除了转录激活因子 nifA2 之外，与氮固定相关的已知功能没有发生突变。然而，一些突变被映射到能量产生系统和碳代谢相关功能，这些功能可以将还原力或 ATP 提供给固氮酶。在批量培养中，固氮酶抑制的时间过程实验揭示了固氮酶蛋白水平与其 H 2 和乙烯生产活动之间的不匹配，这表明能量受到限制。在恒化器中培养产生的 H 2 始终比相应的批量培养多 19 倍，揭示了选定的 H 2 过量生产菌株的潜力。
同种型柠檬酸可治愈肺炎克雷伯菌的 NifV 表型
固氮酶催化 N2 还原为铵 (1)。固氮酶由两种蛋白质组成，即二氮酶 (组分 I，Mo-Fe 蛋白) 和二氮酶还原酶 (组分 II，Fe 蛋白) (1, 3)。二氮酶含有一个独特的辅基，即铁钼辅因子 (FeMo-co)，由 Fe、Mo 和 S (15) 组成。生化和遗传研究表明，至少有六种 nif (固氮) 基因产物参与了 FeMo-co 的生物合成。含有 nifB、nifN 或 nifE 突变的肺炎克雷伯菌菌株无法合成 FeMo-co (12, 15)。在含有低水平钼酸盐的培养基中，当固氮酶被解除抑制时，nifQ 突变的菌株不会合成 FeMo-co (8)。某些含有 nifH（编码二氮酶还原酶）突变的肺炎克雷伯菌和棕色固氮菌菌株无法积累 FeMo-co（2, 13）。从含有 nifV 突变的肺炎克雷伯菌菌株中分离出的二氮酶表现出改变的底物亲和力和抑制剂敏感性（10）。进一步的研究表明，NifV 突变体在 FeMo-co 合成方面存在缺陷（4）。最近，描述了一种体外合成 FeMo-co 的系统，该系统需要 ATP、钼酸盐、nifB、nifN 和 nifE 的基因产物（17）、二氮酶还原酶（未发表的数据）和同型柠檬酸（6）。肺炎克雷伯菌对同型柠檬酸的积累与功能性 nifV 基因的存在有关，该基因显然编码同型柠檬酸合酶（7）。在解除固氮酶抑制期间，发现高柠檬酸在肺炎克雷伯氏菌培养物培养基中积累 (6)。我们在此报告，向肺炎克雷伯氏菌 NifV 突变体培养基中添加高柠檬酸可治愈该表型。肺炎克雷伯氏菌 UN 是从菌株 M5al 中重新分离的野生型菌株，该菌株最初来自 PW Wilson 的收藏。菌株 UN1991 (nifV4945) 是一种稳定的 NifV 突变体，回复频率为 3 x 10-10（T. MacNeil，博士论文，威斯康星大学麦迪逊分校，1978 年），之前已有描述 (9)。肺炎克雷伯氏菌突变体中的生长和固氮酶解除抑制已被描述 (8)。从肺炎克雷伯菌 (6) 培养物的去阻遏培养基中分离出 (R)-2-羟基-1,2,4-丁烷三羧酸 (高柠檬酸)。将高柠檬酸添加到 UN1991 培养物中，最终浓度约为 83 mg * 升-' (0.4 mM)。用 DEAE-纤维素色谱法 (14) 从菌株 UN、UN1991 和 UN1991 中纯化二氮酶，这些菌株在高柠檬酸存在下已对固氮酶进行了去阻遏。已描述了乙炔和 N2 还原测定
增强生物固氮的纳米策略
氮是限制植物生长的最重要必需元素。尽管空气中 78% 是氮，但陆生植物物种尚未进化出直接获取和利用氮来生长的途径。然而，豆科植物，如大豆 (Glycine max)、豌豆 (Pisum sativum) 和豆类 (Phaseolus、Vigna 和 Cajanus 物种) 与某些细菌形成共生关系，这些细菌可以将环境中普遍存在的氮固定为氨，从而使它们能够利用它。这个过程称为生物固氮 (BNF)。在通过能源密集型的哈伯-博施法生产合成氮肥之前，BNF 是补充农业用地生物可利用氮的主要来源 1 。然而，尽管合成氮肥的输送效率和作物利用效率较低，但如今仍被广泛用于补充土壤肥力。这最终会显著增加温室气体 (GHG) 排放、氨挥发和活性氮从陆地流失到水中。氮肥施用量的持续增加将通过过度释放强效温室气体（包括 N 2 O，其效力在 100 年内是 CO 2 的 300 倍）和大量消耗化石燃料 2 ，进一步危及气候稳定。N 2 O 也是 21 世纪臭氧消耗的主要原因。因此，减少氮肥施用是缓解粮食不安全和全球变暖的关键策略。提高大豆的 BNF 含量为减少氮肥使用和提高作物产量提供了无与伦比的机会。大豆是四大主要粮食作物之一，2018 年固定了 25 Tg 氮，占豆科作物产量的 70% 3 。大豆的生物固氮作用也可用于间作策略（即在邻近种植两种或两种以上的作物），以提高土壤肥力并提高产量 4 。此外，大豆是人类饮食中经济且优质的植物蛋白来源。此外，它还含有必需的营养素，例如不饱和脂肪酸、磷脂、B 族维生素和矿物质，这些营养素对改善人类饮食质量具有巨大潜力 5 。植物性蛋白质饮食有望将全球活性氮使用量减少一半 6 。然而，天然的BNF系统受到几个缺点的困扰，包括固氮酶的环境敏感性（O 2 和应激诱导的活性氧 ROS 对固氮酶的损害）、BNF 过程的高能耗、缺乏必需的矿物质
通过 p- 进行电催化氮还原……
随着全球气温升高和温室气体排放增加，多数工业过程都致力于实现碳中和。然而，有一个过程的碳足迹极高，占全球二氧化碳排放量的 6% 并消耗全球能源的约 1-2%1，那就是哈伯-博世法 2 氨合成过程。氨是农业、各类工业和能源应用中不可替代的前体3,4，迫切需要通过光催化、电催化或光电催化途径开发更绿色的 NH 3 合成技术以满足当前需求。5,6 实现氨经济的最佳目标是开发一种像固氮酶一样在环境条件下将 N 2 还原为 NH 3 的催化剂。电催化固氮途径由于其效率和环境友好性而成为有吸引力的替代方案。 7,8 然而，由于 N2 是一种高度稳定的分子，其 N–N 三键能量为 940 kJ mol 1，因此与电催化氮还原反应 (NRR) 相关的动力学较慢，法拉第效率较低。7
n2 固定微生物的全球生物地理学：nifH 扩增子……
摘要。海洋氮 (N 2 ) 固定是一种具有全球意义的生物地球化学过程，由一群特殊的原核生物 (固氮菌) 进行，但我们对其生态学的理解在不断发展。尽管海洋 N 2 固定通常归因于蓝藻固氮菌，但间接证据表明非蓝藻固氮菌 (NCD) 也可能很重要。一种广泛用于了解固氮菌多样性和生物地理学的方法是对 nifH 基因的一部分进行聚合酶链式反应 (PCR) 扩增，该基因编码 N 2 固定酶复合物固氮酶的结构成分。存在一系列生物信息学工具来处理 nifH 扩增子数据；然而，缺乏标准化实践阻碍了交叉研究比较。这导致错失了更彻底评估固氮菌多样性和生物地理学以及它们对海洋氮循环的潜在贡献的机会。为了解决这些知识空白，我们设计了一个生物信息学工作流程，以标准化高通量测序 (HTS) 产生的 nifH 扩增子数据集的处理。使用专门的 DADA2 流程高效一致地处理多个数据集，以识别扩增子序列变体 (ASV)。然后，一系列可定制的后流程阶段检测并丢弃虚假的 nifH 序列，并使用多个参考数据库和分类方法注释后续质量过滤的 nifH ASV。这个新开发的工作流程用于重新处理几乎所有来自海洋研究的公开可用的 nifH 扩增子 HTS 数据集，并生成一个全面的 nifH ASV 数据库，其中包含从 21 项研究中汇总的 9383 个 ASV，这些研究代表了全球海洋中的固氮菌种群。对于每个样本，数据库都包含从 Simons 合作海洋图集项目 (CMAP) 获得的物理和化学元数据。在这里，我们展示了该数据库在揭示主要固氮菌群的全球生物地理模式方面的实用性，并强调了海面温度的影响。工作流程和 nifH ASV 数据库为研究 nifH 扩增子 HTS 捕获的海洋 N 2 固定和固氮菌多样性提供了一个强大的框架。可以轻松添加针对研究不足的海洋区域的未来数据集，用户可以根据其特定重点调整所包含的参数和研究。工作流程和数据库分别在 GitHub（https://github.com/jdmagasin/nifH-ASV-workflow，最后访问时间：2025 年 1 月 21 日；Morando 等人，2024c）和 Figshare（https://doi.org/10.6084/m9.gshare.23795943.v2；Morando 等人，2024b）上可用。