创新背景

豆科植物和生长在根部的细菌之间的共生关系对植物的生存至关重要。如果没有这些细菌，植物就会失去氮的来源，而氮是形成蛋白质和其他生物分子必不可少的元素，植物将依赖土壤中的氮肥。

为了建立与细菌的共生关系，一些豆科植物会产生数百种肽来帮助细菌在根瘤菌的结构中生存。几年前，植物生物学家发现，蒺藜状苜蓿能够产生大约700个肽，这些肽有助于类杆菌的形成。同时，这些肽以波的形式产生，使游离的细菌嵌入到植物细胞中，成为细胞中的固氮机器。

创新过程

麻省理工学院(MIT)的一项新研究揭示，植物产生的NCR247多肽会吸收所有可用的血红素（一种含铁分子），使细菌进入缺铁状态，从而增加氨的产量。而氨是植物可用的氮的形式。该研究于2022年8月11日发表在《自然微生物学》(Nature Microbiology)杂志上。

近40年来，沃克的实验室一直在研究豆科植物和根瘤菌（一种固氮细菌）之间的共生关系。这些固氮细菌将氮气转化为氨，使植物（以及以这些植物为食的动物）能够获得这种元素。这是地球氮循环的关键一步。

研究团队发现，固氮细菌会在一种名为蒺藜状苜蓿的三叶草状植物的根部形成根瘤，并最终进入植物细胞，在那里它们会转化为类杆菌的共生形式。

研究团队选择了一种称为NCR247的多肽，以进行更深入的研究。最初的研究显示，当固氮细菌接触这种肽时，它们15%的基因会受到影响。许多变得更加活跃的基因参与了铁的输入。

研究人员随后发现，当他们将NCR247与一个较大的蛋白质融合时，杂交蛋白的颜色出人意料地呈现出红色。这一偶然的观察使得研究人员发现了NCR247结合血红素，血红素是一种有机环状含铁分子，是血红蛋白的重要组成部分，血红蛋白是红细胞用来携带氧气的蛋白质。

研究团队选择了一种称为NCR247的多肽，以进行更深入的研究。最初的研究显示，当固氮细菌接触这种肽时，它们15%的基因会受到影响。许多变得更加活跃的基因参与了铁的输入。

研究人员随后发现，当他们将NCR247与一个较大的蛋白质融合时，杂交蛋白的颜色出人意料地呈现出红色。这一偶然的观察导致了NCR247结合血红素的发现，血红素是一种有机环状含铁分子，是血红蛋白的重要组成部分，血红蛋白是红细胞用来携带氧气的蛋白质。

进一步的研究表明，当NCR247被释放到细菌细胞中时，它会隔离细胞中的大部分血红素，将细胞送入缺铁模式，触发它们开始从外部环境输入更多的铁。

研究人员表示，通常细菌会微调它们的铁代谢，当铁已经足够时，它们就不会再吸收更多的铁。而这种肽最厉害的地方在于，它超越了这种机制，间接调节了细菌的铁含量。

细菌用来固定氮的主要酶——固氮酶，每个酶分子需要24到32个铁原子，所以额外的铁离子流入可能有助于固氮酶变得更加活跃。研究团队发现，铁离子流入的时间与固氮相吻合。这些肽在结节中以波的形式产生，当细菌准备固定氮时，这种特定肽的产量更高。如果这种肽在整个过程中都在分泌，那么细胞就会一直有太多的铁，这对固氮细菌细胞是有害的。

潜在的治疗用途

这个被称为NCR247的多肽可能有潜在的治疗用途。当血红素与血红蛋白结合时，它在体内起着至关重要的作用，但当血红素在血液中散失时，它可以杀死细胞并引发炎症。游离血红素会在储存的血液中积累，所以在给病人输血之前，可以利用过滤血红素的方法。

多种人类疾病导致游离血红素在血液中循环，包括镰状细胞性贫血、败血症和疟疾。此外，一些传染性寄生虫和细菌依赖于血红素生存，但不能产生血红素，所以它们会从环境中清除血红素。用这种吸收所有可用血红素的蛋白质治疗这种感染，可以阻止寄生细胞或细菌细胞的生长和繁殖。

在这项研究中，研究团队也表明了，用NCR427治疗刚地弓形虫可以防止寄生虫在人类细胞上形成斑块。

目前，人类蛋白质血凝素(hemopexin)也能与血红素结合，而且它更小，更容易制造和输送到体内，因此NCR247肽是一种更容易操作的替代品，正被探索用于治疗镰状细胞性贫血的新方法。

创新价值

麻省理工的一项研究发现了豆科植物细胞中具有一种会吸收所有可用的血红素的多肽——NCR247。这种多肽被豆科植物用来控制固氮细菌，同时它也可能对治疗血液中血红素过多的患者有益处。清除血液中的游离血红素有助于治疗由需要血红素生存的细菌或寄生虫引起的疾病，如牙龈杆菌(牙周病)或弓形虫病，或向血液中释放过多血红素的镰状细胞病或败血症等疾病。

此外，这项研究也表明了，植物和微生物相互作用的基础研究也有可能转化为治疗应用。