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在地球早期缺氧的大气条件下，生命如何获取能量？ 一项发表于 Nature Communications 的研究，由歌德大学、马尔堡大学与斯德哥尔摩大学联合团队完成，首次解析了最古老的细胞呼吸酶——Rnf复合物的结构与工作机制。该复合物存在于仍生活在无氧环境（如深海热泉）的古老细菌中，能够将二氧化碳与氢气转化为乙酸，并在此过程中通过一种全新的钠离子泵机制合成ATP。这一发现不仅揭示了早期生命能量代谢的分子基础，也为工业废气中CO₂的捕获与利用提供了潜在的新途径。

无氧时代的能量难题

在约24亿年前的大氧化事件之前，地球大气几乎不含氧气。然而，生命早已存在——它们必须依赖无氧呼吸（anaerobic respiration）获取能量。一类被称为产乙酸菌（acetogens）的古老细菌，至今仍存在于缺氧环境中，它们利用氢气作为电子供体，将CO₂还原为乙酸（醋酸），同时合成ATP。

这一代谢途径（Wood-Ljungdahl pathway）的生化步骤已知，但一个关键问题长期悬而未决：电子传递如何与能量保存（ATP合成）相偶联？

Rnf复合物：膜内电子传递与钠离子泵

Rnf复合物是一类由多个亚基组成的膜蛋白复合物，在多种厌氧细菌与古菌中保守存在，被认为是演化史上最古老的呼吸电子传递链组分。由于其极端敏感性，直到几年前才被成功分离纯化。

本研究以模式产乙酸菌 Acetobacterium woodii 的Rnf复合物为对象，整合了三种前沿技术：

1. 冷冻电镜（cryo-EM）：将纯化的Rnf复合物“速冻”在薄层冰晶中，收集数百万个单颗粒图像，重构出高分辨率三维结构；

2. 时间分辨分析：捕捉复合物在不同构象状态下的图像，揭示其动态运动；

3. 分子动力学模拟：由斯德哥尔摩大学Ville Kaila团队进行，模拟电子传递引发的构象变化与离子转运。

分子机制：铁硫簇充当“磁铁”，蛋白构象作“摇臂开关”

研究发现，Rnf复合物的工作机制分为四个关键步骤：

1. 电子进入：氢气氧化产生的电子通过铁氧还蛋白（ferredoxin）传递给Rnf复合物；

2. 电子传递：复合物内部的铁硫簇（Fe-S clusters） 串联传递电子，同时发生构象变化；

3. 钠离子捕获：铁硫簇接受电子后带负电，像磁铁一样吸引细胞质中的正电荷钠离子（Na⁺）；

4. 构象开关与释放：蛋白亚基围绕铁硫簇发生类似“摇臂开关”的位移，形成通向膜外的通道，将钠离子泵出细胞。

钠离子外排后，细胞内膜两侧形成钠离子浓度梯度（类似于更熟悉的质子梯度），这一电化学梯度随后驱动ATP合酶旋转，合成ATP。

“我们能够证明，乙酸的产生本身激活了一个精巧的机制，钠离子被泵出细菌细胞进入环境，”通讯作者、歌德大学分子微生物学教授Volker Müller解释道，“这降低了细胞内的钠离子浓度，细胞膜就像离子的大坝。一旦大坝打开，钠离子流回细胞内，驱动一种分子涡轮机生成ATP。”

结构动态：电子载体的“远距离投送”

冷冻电镜结构显示，Rnf复合物并非刚性结构。其亚基之间存在动态运动，使电子载体能够在膜内跨越较远距离传递电子——这是孤立结构分析无法揭示的关键适应性特征。

演化意义：最古老的呼吸能量转换机制

Rnf复合物代表了一种不依赖质子梯度、而依赖钠离子梯度的能量保存机制。在早期地球海洋富含钠离子、缺乏氧气的条件下，这种机制具有演化优势。本研究首次在原子水平上揭示了“电子传递→钠离子泵”的偶联机制，为理解生命早期能量代谢的起源提供了关键分子证据。

应用前景：从CO₂固定到工业生物技术

产乙酸菌在乙酸合成过程中固定CO₂——这一特性具有重要的生物技术潜力：

• 碳捕获与利用：可将工业废气（如钢铁厂尾气）中的CO₂与氢气（可由可再生能源电解水制取）转化为乙酸，兼具减排与资源化价值；

• 产物升级：通过代谢工程，可进一步将乙酸转化为更高附加值化学品（如丁酸、己酸、生物燃料）；

• 病原体靶点：Rnf复合物在多种致病厌氧菌（如 Clostridium difficile）中存在，其独特机制可能成为新型抗菌药物的开发靶点。

“一旦我们了解细菌在此过程中如何产生能量，我们或许能够优化这一过程，从而生产更高质量的最终产品，”Müller展望道。

参考信息
Reference: “Molecular principles of redox-coupled sodium pumping of the ancient Rnf machinery” by Anuj Kumar, Jennifer Roth, Hyunho Kim, Patricia Saura, Stefan Bohn, Tristan Reif-Trauttmansdorff, Anja Schubert, Ville R. I. Kaila, Jan M. Schuller and Volker Müller, 7 March 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-57375-8