摘要：田纳西大学诺克斯维尔分校的研究团队在《自然》杂志发表的突破性研究中，发现了一类全新的蛋白质，这一发现可能彻底改变我们对抗一氧化二氮这一强效温室气体的策略。这种新型蛋白质能够将一氧化二氮转化为对气候无害的氮气，为解决全球氮污染和温室气体排放问题提供了前所未有的生

田纳西大学诺克斯维尔分校的研究团队在《自然》杂志发表的突破性研究中，发现了一类全新的蛋白质，这一发现可能彻底改变我们对抗一氧化二氮这一强效温室气体的策略。这种新型蛋白质能够将一氧化二氮转化为对气候无害的氮气，为解决全球氮污染和温室气体排放问题提供了前所未有的生物学解决方案。

一氧化二氮的威胁不容小觑。作为仅次于二氧化碳和甲烷的第三大温室气体，它不仅具有比二氧化碳强300倍的温室效应，还会破坏臭氧层，削弱地球对太阳有害辐射的防护能力。目前大气中的一氧化二氮浓度已达到地球历史上的最高水平，这主要归因于现代农业中氮肥的大量使用。

研究团队负责人、古德里奇土木工程卓越主席弗兰克·洛夫勒教授指出，氮肥使用的增加是不可避免的趋势，因为全球人口持续增长需要更多粮食产量。然而，植物无法完全吸收施用的氮肥，剩余的氮被土壤微生物转化为一氧化二氮释放到大气中，形成了严重的环境问题。

这项发现的重要性在于，它为我们提供了一种全新的生物学工具来解决这一全球性挑战。新发现的蛋白质属于一个此前完全未知的蛋白质家族，它们能够高效地将一氧化二氮还原为氮气，从而打破了传统氮循环研究的认知框架。

科学发现的偶然与必然

共同培养 EV 中提出的种间交叉摄养相互作用。参与混合酸发酵的基因仅存在于沙雷氏菌菌株 MF 基因组中，参与周质 NO 还原的基因是 Desulfosporosinus 亚硝化还原菌株 PR 独有的。提供给共培养 EV 的外部底物（即丙酮酸、H、NO）以红色字体显示，沙雷氏菌产生的代谢物以蓝色字体显示。沙雷氏菌菌株 MF 和 Desulfosporosinus 亚硝基还原菌株 PR 基因组上分别存在 15 个与 2 个完整的氨基酸生物合成途径。菌株PR的TCA循环不完整，红色虚线箭头表示缺少相应的基因。TCA循环三羧酸循环、AA氨基酸、FDH甲酸脱氢酶复合物、NosZ一氧化二氮还原酶、OM外膜、IM内膜。使用 BioRender.com 创建。图片来源：自然通讯 （2024）。DOI：10.1038/s41467-024-48236-x222

这一重大发现源于博士后研究员何光博士在酸性土壤微生物组研究中的意外发现。当他在寻找能够消耗一氧化二氮的微生物时，令人困惑的是，他发现了具有强大一氧化二氮还原能力的细菌，但这些细菌的基因组中却缺乏已知的一氧化二氮还原酶基因。

传统上，科学家通过比较基因序列来识别具有特定功能的微生物。一氧化二氮还原酶通常分为两个经典类型：一类在近一个世纪前就被发现，另一类则是2012年在洛夫勒实验室中首次发现的。然而，何光博士在这些微生物中都没有找到相应的基因序列。

面对这一异常现象，何光博士进行了反复验证，甚至与生物信息学软件的开发者确认了分析方法的正确性。最终，他在佐治亚理工学院著名生物信息学专家科斯塔斯·康斯坦丁尼迪斯教授的协助下，确认了这一发现的真实性。

通过深入分析，研究团队发现了一个与经典一氧化二氮还原酶基因仅有30%相似度的基因序列，远低于通常认定同一蛋白质家族的40%相似度阈值。这种巨大的序列差异表明，这个新发现的蛋白质代表了一个全新的蛋白质家族。

为了验证这一假设，研究团队运用了最先进的人工智能技术进行蛋白质结构预测和功能分析。橡树岭国家实验室的杰里·帕克斯博士协助进行了3D蛋白质结构建模，而罗伯特·海蒂诗博士领导的生物分析质谱团队则通过实验验证了新蛋白质的一氧化二氮还原功能。

重新定义氮循环认知框架

这一发现对氮循环科学具有革命性意义。传统的氮循环模型建立在已知的两类一氧化二氮还原酶基础上，而新蛋白质家族的发现意味着自然界中存在着更多样化的一氧化二氮转化机制。

研究结果表明，许多此前无法解释的现象现在有了合理的科学解释。一些研究中观察到强烈的一氧化二氮还原活性，但却找不到相应的遗传依据，这些现象很可能就是由新发现的蛋白质家族介导的。

在含有酵母提取物的基础盐培养基中反复添加 NO 后，酸性链球菌菌株 Mol 表达 L-NosZ 以减少 NO。a、生长（600 nm 处的光密度 （OD））和加速 S. acidovorans 菌株 Mol 培养物中的 NO 还原率。b，在含有和不含NO的酵母提取物的培养基中生长的S. acidovorans菌株Mol培养物中L-NosZ和L-nosZ相邻基因编码的9种蛋白质的丰度。L-NosZ和9种蛋白质中的8种在接受NO的培养物中被专门鉴定（粉红色条）。该质谱测量的检测限约为log（蛋白质丰度）= 14，在仅含有酵母提取物（无NO）的菌株Mol培养物中，9种蛋白质中有8种未检测到超过该阈值。在感兴趣的蛋白质中，只有 SasA（KEGG 直系同源物 （KO） ID 2482，蓝条）在无 NO 生长的菌株 Mol 培养物中检测到。彩色垂直箭头显示了 S. acidovorans 菌株 Mol 基因组中 L-nosZ 和邻近基因的排列。通过使用直系同源基团簇 （COG） -emapper 工具与 eggNOG 数据库 v.5 进行比较，推断出 L-NosZ 和蛋白质的 KO ID。SasA，适应性反应感觉激酶;AtoC，信号转导组氨酸蛋白激酶;S，Rieske铁硫蛋白;Cyt-b，b型细胞色素;MacB 和 ABC，假定的 ABC 型转运蛋白复合物的组成部分。c，卵形链球菌在NO存在下用酵母提取物改良的培养基中的生长。卵形链球菌培养物的生长在一周后停滞不前，可能是由于底物耗尽。添加 H 后恢复生长，但即使在延长两个月的潜伏期后也没有观察到减少。数据是一式三份批次孵育的平均±标准日。如果误差线不可见，则它们小于符号或边框。所有菌株 Mol 培养均以 （8.1 ± 1.7） × 10 个细胞开始。图片来源：自然 （2025）。DOI：10.1038/s41586-025-09401-42600 纳米22222222228

新蛋白质的发现还将推动基因组参考数据库的更新。随着这些新序列被纳入标准数据库，更多来自未知谱系的一氧化二氮还原酶将被正确识别，从而丰富我们对微生物多样性的认识。

从生态学角度来看，这一发现揭示了土壤微生物组在氮循环中发挥着比此前认知更为复杂和重要的作用。酸性土壤环境中存在的这些新型微生物可能代表了一个巨大的、此前被忽视的一氧化二氮消耗潜力。

洛夫勒教授强调，目前全球氮循环处于严重失衡状态，一氧化二氮的产生远超过其自然消耗能力。通过更好地理解和利用这些新发现的微生物，我们有可能增强土壤微生物组消耗一氧化二氮的能力，从而实现更好的氮循环平衡。

应用前景与全球响应

这项研究的实际应用潜力已经引起了国际科学界的广泛关注。论文发表后的几天内，何光博士就收到了来自美国、欧洲和亚洲实验室的合作请求，这些实验室希望将新的分析方法应用到自己的研究中。

从农业应用角度来看，这一发现可能为开发新型生物肥料或土壤改良剂提供科学基础。通过培养和应用含有新型一氧化二氮还原酶的微生物，可能实现在不减少氮肥使用的前提下显著降低一氧化二氮排放。

环境修复领域也将从这一发现中受益。受氮污染的土壤和水体可能通过引入这些特殊微生物得到生物修复，将有害的一氧化二氮转化为无害的氮气。

研究还为开发人工氮循环系统提供了新的思路。通过工程化改造这些新型蛋白质，可能创造出更高效的一氧化二氮处理技术，应用于工业废气处理或农业废水处理。

从全球气候变化应对策略来看，这一发现为实现碳中和目标提供了新的生物学工具。考虑到一氧化二氮的强温室效应，即使相对较小的排放减少也能产生显著的气候效益。

未来的研究方向将集中在几个关键领域：首先是大规模筛选自然环境中类似的新型微生物；其次是深入理解这些蛋白质的催化机制；第三是开发工程化应用技术；最后是评估大规模应用的生态安全性。

研究团队正在与多个国际合作伙伴建立合作关系，推动这一发现向实际应用转化。随着更多研究机构的参与，我们有理由期待在不久的将来看到基于这一发现的创新技术投入实际应用，为解决全球温室气体排放问题做出重要贡献。

这一发现再次证明了基础科学研究的重要价值，一个看似纯理论的蛋白质发现可能成为解决全球环境挑战的关键钥匙。

来源：人工智能学家