氮气在地球大气中含量丰富，但绝大多数生物无法直接利用。只有少数拥有固氮酶的微生物，才能将氮气分解并转化为氨。
固氮微生物中存在三类固氮酶，它们因所含金属种类不同而有所差异。含钼固氮酶效率最高，而MIT的两项最新研究对此给出了解释。
研究人员表示，这一发现有望为工程酶或合成催化剂的设计提供指导，从而实现氮气到氨的高效转化。
研究团队发现，钼虽然不直接与氮结合，但能帮助附近的铁原子更牢固地与氮结合。这是打断氮气中两个氮原子之间化学键的关键第一步。
"最难的就是最初的结合步骤。一旦开始打断氮氮三键并形成新的氮氢键，后续反应就会顺利推进。"MIT化学系Arthur Amos Noyes副教授、两篇论文的共同通讯作者Daniel Suess说道。
MIT博士后吴彤与前博士后Madeleine Ehweiner是其中一篇论文的共同第一作者，Alexandra Brown（2023年博士毕业）是另一篇论文的第一作者。康奈尔大学化学系教授Kyle Lancaster与Suess共同担任后者的通讯作者。两篇论文均发表于《Chem》期刊。
高效酶的奥秘
约30亿年前，微生物进化出固氮能力之前，N?中强大的三键只能通过闪电等高能事件才能断裂。
"一旦出现了能将氮气转化为氨的酶，一切就改变了——细胞从此可以从空气中获取氮元素用于生物合成。"Suess说。
固氮酶活性位点内有一个催化辅因子，通常由铁、硫、碳以及某些情况下的另一种金属组成。含钼辅因子的固氮酶效率最高，其次是含钒的，而仅含铁的固氮酶效率最低。
含钼固氮酶为何更高效，一直是个谜，尤其是因为钼本身被认为不直接与氮气结合。
"所有情况下，铁都被认为是与N?相互作用的，所以这确实令人费解。如果化学反应都发生在铁上，钼为何会影响催化过程？"Suess说。
为此，Suess团队开发了更简化的铁硫簇模型，用于模拟天然辅因子，并通过替换不同金属原子来研究这些金属如何改变辅因子的性质。
在吴彤和Ehweiner主导的第一篇论文中，研究人员替换了不同金属原子，并测量了辅因子中铁与氮结合的能力。结果发现，只有含有钼或钨等大原子金属的辅因子，才能与N?强力结合；而含钒、铬或铁等较小金属的辅因子则无法结合N?，转而发生其他反应。
"这篇论文基本上重现了生物学中观察到的现象——含钼铁硫簇在结合氮气方面优于含较轻金属的铁硫簇。"Suess说。
电子共享机制
在Brown主导的第二篇论文中，研究人员揭示了一种可能的作用机制。
研究人员研究了含不同金属的辅因子与N-杂环卡宾化合物的相互作用。这类分子在某些方面与N?行为相似，是此类研究的良好模型。与N?一样，它们不易接受来自其他分子的电子，而这正是断裂化学键的必要步骤。
研究发现，当辅因子中含有钼时，铁更容易通过"反馈键合"的方式将部分电子转移给N-杂环卡宾。这是因为钼作为大原子，拥有较大的轨道，能与邻近铁原子的轨道发生重叠，从而改变铁的电子密度，使铁更容易将电子传递给N?。
"没有这种金属间的直接相互作用，铁必须独自完成所有工作；而加入钼后，就实现了电子协同效应。"Suess说。
一旦N?与铁原子结合，后续反应便可顺利进行：来自水或其他来源的质子与氮形成N-H键，从而大大降低剩余N-N键断裂的难度，最终与质子结合生成NH?。
这些发现有望为科学家设计工程酶提供指引，使其能被引入生物体，帮助生物自主合成NH?，从而减少甚至消除对化肥的依赖。研究结果也可为化学家设计合成催化剂提供参考，以比哈伯-博施法更低的能耗实现工业合成氨。
"核心原理在于：在任何环境中，当铁位点存在金属间相互作用时，其行为都会与没有这种相互作用时截然不同。这些发现首先帮助我们理解自然界如何完成这一极为重要且神奇的反应，或许未来还能转化为新的工业流程。"Suess说。
本研究主要由美国能源部、国家科学基金会及国家普通医学科学研究所资助。
Q&A
Q1：固氮酶是什么？它在自然界中有什么作用？
A：固氮酶是一种存在于特定微生物中的酶，能够将大气中的氮气转化为氨。在固氮酶出现之前，氮气中的强三键只能通过闪电等高能事件才能断裂。固氮酶的出现使细胞得以从空气中获取氮元素用于生物合成，对生命演化具有重要意义。目前已知的固氮酶分为三类，分别含有钼、钒或仅含铁，其中含钼固氮酶效率最高。
Q2：钼为什么能提升固氮酶的催化效率？
A：钼本身不直接与氮气结合，但它能通过金属间轨道重叠改变邻近铁原子的电子密度，使铁更容易通过"反馈键合"将电子转移给氮气，从而促进氮气与铁的结合。这一初始结合步骤是整个固氮反应中最困难的环节，钼的存在实现了铁与钼之间的电子协同效应，显著提升了催化效率。
Q3：MIT的这项研究对工业合成氨有什么潜在影响？
A：这项研究揭示了含钼固氮酶高效催化的分子机制，为设计新型工程酶和合成催化剂提供了理论依据。未来有望将相关酶引入生物体，帮助其自主合成氨，减少化肥使用；同时也可为开发低能耗工业合成氨催化剂提供参考，有望替代或改进现有的高能耗哈伯-博施工艺。
