某些微生物已经进化出了解决这一问题的方法。它们能够打破这一化学键，将N2转化为氨，随后氨便可被整合到生物分子中。其中一种生物是深海古菌Methanocaldococcus infernus，它生活在火山海洋环境中，那里的喷口流体温度可达到水的沸点以上。
位于不来梅的马克斯·普朗克海洋微生物学研究所Tristan Wagner实验室的研究人员希望了解这种生物是如何在如此极端的条件下进行固氮作用的。他们成功在实验室里“驯化”了这种微生物，并使其在90 °C以上的温度下固定N2。
“在如此高温下，它们是如何做到的？而且，分裂N2三键的酶又是如何在这种条件下发挥作用的？”Wagner自问。
使固氮作用成为可能的酶
这种能力背后的关键酶是固氮酶。它含有被认为是生物学中已知最复杂的金属辅因子。金属辅因子是含有金属的辅助分子，它们与酶结合，对酶的活性至关重要。
研究最广泛且性能最高的固氮酶含有基于钼的金属辅因子。其他类型的固氮酶则使用钒或仅使用铁。科学家们仍在试图确定这些不同的固氮酶之间有何关联，以及它们的金属中心究竟是如何使得断裂极其坚固的N2三键成为可能的。
为极端高温而生的固氮酶
“在Methanocaldococcus infernus中发现的固氮酶非常引人注目，因为它似乎同时具备似乎同时具备钼型、钒型和铁型固氮酶的特征。这种类型的固氮酶可能与一个共同的固氮酶祖先相似，也就是它们共同进化而来的古老系统。因此，它可能揭示了固氮酶反应的普遍原理，”Wagner说。
研究团队直接从该微生物中成功分离出了固氮酶，并发现它具有异常的耐热性。该蛋白质在90 °C时才开始解体，甚至在98 °C时仍有部分保持完整。
“这证明这种酶被设计为在大多数蛋白质会迅速衰变的条件下发挥作用，就像在热水中煮熟的蛋清一样，”来自马克斯·普朗克海洋微生物学研究所的第一作者Nevena Maslać说。“它在室温下没有活性。相反，我们表明它只在高温下产生氨。它的极端稳定性使我们能够研究通常难以捕捉的固氮酶状态。”
近原子尺度下观察固氮酶
研究人员不需要重返深海来详细检查这种酶。相反，他们结合了微生物生理学、天然酶纯化、生物化学和结构生物学。每一步都必须在严格无氧的条件下进行，因为氧气会永久性地破坏固氮酶的金属辅因子。
研究团队将该酶结晶，并在法国格勒诺布尔的结构生物学研究所进行了研究。在那里，他们使用了该设施的同步加速器，这是一种产生强大X射线的环形粒子加速器。
这使得他们能够以近原子分辨率确定该酶的分子结构。结果表明，这种固氮酶是目前已研究的最简单的固氮酶实例，同时它还结合了所有三大固氮酶家族（钼型、钒型和仅铁型）的结构特征。
这种结合支持了一种可能性，即与今天在细菌中发现的固氮酶相比，古老的固氮酶更类似于这种古菌酶。
随后，研究人员着手确认该酶是否含有钼金属辅因子。
“我们对钼的寻找在技术上极具挑战性，需要同步加速器的专家将其仪器性能发挥到绝对极限，”Wagner说。
科学家捕捉到意外的分子状态
测量结果证实了预期的钼信号，但也带来了一个惊喜。
“我们惊讶地看到了含钼固氮酶中一种迄今为止未被观察到的状态！”
研究人员此前仅在钒型和仅铁型固氮酶中观察到过这种所谓的“转换”（turnover）状态。这种状态可能代表了断裂N2反应中的一个中间阶段。
在含钼酶中发现相同的状态表明，所有形式的固氮酶可能都使用一种共同的潜在机制来将氮分子拆开。
从深海微生物到未来生物技术
了解固氮作用的意义远超深海环境。像M. infernus这样的固氮微生物将氮转化为氨，但它们在地球碳循环中也扮演着重要角色。这类微生物负责产生大气中一半的甲烷。
在未来，研究人员可能会探索将这些生物作为生物系统，把气体转化为包括甲烷和氨在内的有用产物，并以绿氢作为能源。
“如果有一天农作物能够直接从大气中的N2获取氮呢？”Wagner推测道。
这样的进步可能会减少农业对工业肥料的依赖。通过哈伯-博施法生产肥料需要大量能源，并与温室气体排放有关。过量使用肥料还会导致富营养化和其他环境破坏。
“就目前而言，这项研究提供了一些更基础的东西：对生物学中最引人注目的化学反应之一的分子层面的最新认识。”