深海微生物的固氮酵素，为何能在近百度的高温下运作？

近100°C的高温，对多数生物来说都是难以生存的恶劣环境，此时绝大部分的蛋白质早已失去原本的结构和功能。不过，深海中却 有微生物能在此高温下存活，并催化相当复杂的化学反应。最近，德国马克斯·普朗克研究所（MaxPlanckInstitute）的科学家发现，一种古菌中的固氮酵素（nitrogenase），竟然可以耐受近百度的高温。这项研究已于近日刊登在国际期刊《NatureCommunications》 ，并揭开了这种特殊酵素能在极端环境中作用的部分秘密。

深海火山附近的“耐热高手”

本次研究的微生物“地狱嗜热甲烷球菌”（Methanocaldococcusinfernus），能在约92°C 的条件下利用氮气生长。研究发现，由这种古菌分离出的固氮酵素耐热程度相当惊人，大约到了90°C才开始明显解体，而且即使加热 到98°C，仍有部分蛋白质可以维持完整。

研究发现此固氮酵素在常温下反而不易进行固氮反应，升高温度后才展现出较好的活性。这可能与酵素的结构特性有关，一般蛋白 质需要一定程度的柔软性，才能在反应过程中改变形状，但这种超耐热酵素为了在高温下保持稳定，结构可能变得更加紧密。因此，在低温环境下反而不容易完成催化反应，到了接近它原本生活的高温环境，才比较能兼顾稳定性与活性。

看见酵素如何“工作”

为了解这种酵素为什么能在高温下完成固氮，研究团队进一步利用X光晶体学（X-raycrystallography）观察它的立体结构。他们发现，酵素中的铁钼辅因子（FeMo-cofactor）是处理氮气的关键，就像一个负责启动反应的核心工作区。更特别的是，研究人员还捕捉到酵素进行反应时的状态（turnoverstate），就像拍下它正在工作的瞬间。过去这种状态主要在其他 类型的固氮酵素中被观察到，如今也出现在含钼的固氮酵素中，显示不同固氮酵素可能共享一些相似的反应方式，也为科学家理解生物如何把难以利用的氮气转换成可用形式提供新的线索。

深海酵素，能为农业带来什么启发？

此研究目前仍属基础科学阶段，距离实际应用还有一段距离。不过，固氮反应与农业有非常密切的关系。现行农业仍大量仰赖工业方式所制造的氮肥，但传统的哈柏法（Haber-Boschprocess）需要消耗大量能源。因此科学家一直希望从自然界的固氮微生物获得更节省能源的方法。这种来自深海的酵素提供了一个很独特的机会，它不但异常耐热，而且具有相对精简的结构。未来如果能进一步理解这些结构如何维持稳定，以及金属中心如何一步步活化氮气，或许能帮助科学家设计更有效率的人工固氮系统。

深海微生物的固氮酵素，或许还无法立即改变我们的农业，但它让科学家看到一种截然不同的解决方式。生命为了适应极端环境， 演化出许多令人意外的生存策略，而这些策略也可能成为人类未来发展新技术的灵感来源。探索这些生活在极端环境中的微生物，也许能让我们从自然界找到更多解决问题的方法。有些答案可能一直存在，只是人类还没找到它。