完全硝化氨单加氧酶的催化与抑制结构体系

完全氨氧化菌（comammox）是广泛分布的硝化菌，能够在单个细胞内高效地将氨转化为硝酸盐，并在多种环境中主导氨氧化过程；然而，其氨单加氧酶（AMO）与典型细菌AMO之间差异的分子基础仍未得到阐明。本文报道了来自完全氨氧化菌 Nitrospira inopinata 的AMO（NiAMO）在无抑制剂状态和烯丙基硫脲（ATU）结合状态下的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，分辨率分别为2.47和2.68埃。NiAMO表现出独特的辅助亚基组织形式、铜位点构型以及疏水通道结构。整合分子动力学（MD）与量子力学/分子力学（QM/MM）计算支持一种以甲基质体醌醇（methyl-PQH₂）偶联、以CuD为核心的催化模型，其中CuC可能促进醌的氧化还原循环。N. inopinata 对多种已知硝化抑制剂表现出广泛敏感性；ATU结合态NiAMO结构将该抑制剂定位于CuC–CuD区域，同时伴随疏水通道收缩，这与恢复实验所揭示的ATU竞争性作用相一致。多组学分析进一步揭示了N. inopinata 对ATU产生的能量受限型胁迫响应，其中包括尿素转运与利用系统的诱导。总之，这些发现阐明了完全氨氧化菌AMO以甲基质体醌醇为连接的催化架构及其对抑制剂的响应特征，并为在自然与工程生态系统中实施具有谱系针对性的硝化管理建立了机制框架。

全程氨氧化菌（comammox）是广泛分布的硝化菌，能够在单个细胞内高效地将氨转化为硝酸盐，并在多种环境中主导氨氧化过程；然而，其氨单加氧酶（AMO）与典型细菌AMO之间差异的分子基础仍未得到阐明。在此，我们报道了来自全程氨氧化菌 *Nitrospira inopinata* 的AMO（NiAMO）在无抑制剂状态和结合烯丙基硫脲（ATU）状态下的冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，分辨率分别为2.47和2.68埃。NiAMO呈现出独特的辅助亚基组织方式、铜位点构型及疏水通道架构。综合分子动力学（MD）和量子力学/分子力学（QM/MM）计算表明，NiAMO遵循一种与甲基质体醌醇（methyl-PQH₂）偶联、以CuD为中心的催化模型，其中CuC可能促进醌的氧化还原循环。*N. inopinata* 对数种已知硝化抑制剂表现出广泛的敏感性；而结合ATU的NiAMO结构显示，该抑制剂定位于CuC–CuD区域，并伴随疏水通道收缩，这与恢复实验所证明的ATU竞争性作用相一致。多组学分析进一步揭示了该菌对ATU产生的能量受限型应激响应，包括尿素转运和利用系统的诱导。总体而言，这些发现界定了全程氨氧化菌AMO中一种与甲基质体醌相连接且响应抑制剂的催化架构，并为在自然生态系统和工程生态系统中开展谱系针对性的硝化管理建立了机制框架。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.02.748776v1?rss=1

🏷️ 完全氨氧化菌 氨单加氧酶 冷冻电子显微镜结构 铜活性位点 硝化抑制剂 分子机制