陈旭东课题组《德国应用化学》：生物固氮酶铁钼辅酶相关铁硫簇合物合成领域取得进展

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我校化科院陈旭东教授课题组在生物固氮酶铁钼辅酶相关铁硫簇合物合成领域再次取得突破性进展。该研究成果以“Controlled Incorporation of Nitrides into W-Fe-S Clusters”为题发表于Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）上（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201908968）。Angew. Chem. Int. Ed.杂志是Wiley公司的王牌杂志，也是化学学科顶级期刊。

生物固氮

       氮元素是构成生命有机体的基本元素之一，氮循环也是自然界中最重要的循环之一，这其中，从大气中广泛存在的游离态氮气到化合态的氮是至关重要的一步。工业上，这一转化是依靠高温、高压条件的合成氨过程实现的，产生了惊人的能源消耗；而自然界中的固氮酶能够在生物体中的温和环境下高效地将氮气转化为氨气。显然，如果能够实现仿生固氮，对于解决人类目前所面临的人口、粮食、能源和环境等问题具有极其重要的意义。
       科学家自从发现生物固氮酶的固氮作用以来就一直对其固氮机理进行的不懈的探索，经过研究发现固氮效率最高的钼基生物固氮酶的固氮活性中心是铁钼辅酶，因此对铁钼辅酶结构和功能的研究就成为探索生物固氮机理的重要基础。铁钼辅酶分子是人类迄今为止在自然界中发现的最复杂的无机分子之一，仅仅是关于其结构的研究就耗时几十年，直到2011年才最终确定其完整结构，铁钼辅酶的复杂结构使得关于其合成的研究工作面临巨大的挑战，相关研究几乎陷于停滞，这严重阻碍了生物固氮的机理研究乃至仿生固氮的研究。
       我校化科院陈旭东教授课题组一直致力于推进铁钼辅酶分子的结构合成和功能模拟的相关研究，几年来潜心积累，继2018年在PNAS上发表重要研究成果之后（论文链接：http://www.pnas.org/content/early/2018/04/12/1801025115。），近日再次取得突破性进展，巧妙的通过两种不同的合成路线构筑了含有μ4连接单原子N3-配体的边-边相连双立方烷结构异金属杂核配体铁硫簇合物。这是世界上首例在铁-硫簇合物中引入单原子氮配体，成功解决了向铁-硫簇合物中引入单原子配体的难题，为铁钼辅酶的合成研究提供了新的方法、策略和思路，审稿人高度评价该研究是合成簇合物化学研究中的里程碑。同时该研究对生物固氮酶铁钼辅酶氮气活化的过程和中间体具有重要的参考意义，展现了生物固氮过程中氮元素在相关簇合物中的可能形态之一，对固氮酶的固氮机理研究具有重要的启发意义。
      本论文的第一作者为化科院2018级博士研究生徐干，通讯作者是陈旭东教授。


       生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程，固氮生物都属于个体微小的原核生物，所以，固氮生物又叫做固氮微生物。根据固氮微生物的固氮特点以及与植物的关系，可以将它们分为自生固氮微生物、共生固氮微生物和联合固氮微生物三类。生物固氮是根际生物对话的典型例证之一。自然界中的氮素资源十分丰富，大气中近80%的气体为氮素。但只有少数原核生物，即细菌和蓝绿藻（蓝藻细菌）能够固定空气中的氮素。这些原核生物通过自生或与植物共生，将大气中的氮气转化成能被植物吸收利用的氮素，称为生物固氮。其他的原核生物和真核生物均不能利用大气中的氮素。与工业固氮的高温高压条件相比，生物固氮在常温常压下就可以进行，是生物圈中氮循环的主要氮源之一，所固定的氮素在自然界中相当客观 。


       陈旭东，博士，南京师范大学教授。曾在美国哈佛大学等多所海外顶尖高校和科研机构长期从事研究工作。近年来，首次合成了生物固氮酶FeMo辅酶的子结构，在实现太阳能、风能等可再生能源的大规模存储方面的研究取得重要突破，以第一作者在J.Am. Chem .Soc，Chem.-Eur.J，Chem.Commun.等化学国际顶尖期刊上发表多篇论文。