文章来源：加州理工学院官方网站
加州理工学院的研究人员发现了一种新型酶，它能让大量细菌在低氧条件下“呼吸”硝酸盐。虽然这是细菌生存的进化优势，但这一过程会产生温室气体一氧化二氮 (N2O) 作为副产品，这是继二氧化碳和甲烷之后第三大温室气体。
然而，与二氧化碳不同，一氧化二氮在大气中的寿命并不长，这意味着任何抑制其排放的干预措施都可以带来立竿见影的效果。例如，过度使用农作物肥料会为土壤细菌提供丰富的硝酸盐，然后它们会将其转化为一氧化二氮——更明智地施用肥料既可以减少温室气体排放，又可以为农民省钱。
“一氧化二氮是一种比二氧化碳更难监测的温室气体，但通过这项研究，我们现在知道产生一氧化二氮的来源比以前认为的要多得多，”地质生物学教授兼新研究高级研究员伍迪·菲舍尔说。“了解这种气体在何时何地被释放到大气中可以帮助我们做出更明智的决定。在不久的将来，农民将掌握土壤中微生物群落的信息，从而能够明智地决定如何以及何时使用肥料来保持景观健康。”
描述这项研究的论文于 6 月 20 日发表在《美国国家科学院院刊》上。
在前博士后学者 Ranjani Murali 和首席研究员 James Hemp 的带领下，该团队研究了地球不同环境中数万种不同微生物物种的基因组序列。生物圈中的大多数细胞利用某些称为还原酶的蛋白质来呼吸或呼吸氧气，但 Murali 和她的团队发现，大量还原酶已经进化出密切相关的蛋白质来呼吸一氧化氮，并在这一过程中产生一氧化二氮。一氧化氮和一氧化二氮是反硝化过程中产生的中间化学物质，反硝化是细菌分解硝酸盐（肥料中的化学物质）的过程。当氧气水平开始降至大气水平的约 10% 以下时，细菌能够在许多不同的环境中（湿地、高山土壤、湖泊等）从呼吸氧气转换为一氧化氮。
“由于这些蛋白质未被发现，我们错过了生物圈中产生一氧化二氮的大片区域，”菲舍尔说。“现在，我们可以通过基因组序列信息更准确地预测哪些生物在哪些环境中产生一氧化二氮。产生一氧化二氮的生物比我们想象的要多得多。”
地质生物学家此前认为，在我们早期的单细胞祖先中，硝酸盐呼吸等无氧途径在进化上先于呼吸氧气的能力出现。菲舍尔表示，这项研究“颠覆了剧本”，表明支持硝酸盐呼吸的蛋白质实际上是从20 亿年前呼吸氧气的蛋白质进化而来的。
“微生物学家经常根据比较基因组学来预测微生物能够进行哪些代谢，”论文合著者詹姆斯·汉普（James Hemp）解释道，他曾是加州理工学院的博士后学者，目前就职于犹他州的 Meliora.bio 公司。“然而，这些假设很少通过实验进行检验。我们的工作大大增加了微生物学中研究最多的酶家族之一的生化多样性。这应该是一个警告，未经实验验证的自动化代谢分析可能会导致对微生物和群落功能的错误结论。”
这篇论文的标题是“细菌和古菌中一氧化氮还原的多样性和进化”。 Murali 现在是内华达大学拉斯维加斯分校的教员，也是这项研究的第一作者。除了 Murali、Fischer 和 Hemp 之外，加州理工学院的合著者还包括前研究生 LM Ward（2017 年博士，现就读于史密斯学院）和 Usha F. Lingappa（2021 年博士，现就读于加州大学伯克利分校）。其他合著者包括 Meliora.bio 的 Laura A. Pace、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的 Robert A. Sanford 和 Robert B. Gennis，以及蒙大拿州立大学的 Mackenzie M. Lynes 和 Roland Hatzenpichler。资金由美国国立卫生研究院、阿古隆研究所、社区科学项目、联合基因组研究所和美国能源部提供。
