植物内源固氮酶功能构建：合成生物学与AI驱动设计推动可持续农业变革

为解决非豆科作物依赖化学氮肥导致的污染和能耗问题，研究人员通过合成生物学与人工智能(AI)设计，在大肠杆菌(E. coli)和酵母中部分重构固氮酶(nitrogenase)，并利用酵母线粒体低氧环境克服氧敏感性。该研究为开发自主固氮作物提供新策略，有望减少哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺依赖，保障全球粮食安全。

　　

生物固氮——由固氮酶(nitrogenase)催化将大气氮(N₂)转化为氨(NH₃)的过程，为植物生长提供天然氮源。虽然豆科植物能与固氮菌共生，但非豆科作物仍需依赖高耗能的化学肥料。将固氮酶引入普通作物面临三大难关：氧敏感性、复杂金属簇组装和高能量需求。

合成生物学与人工智能(AI)的突破带来转机：在_大肠杆菌(E. coli)和酵母中成功部分重建固氮酶功能；利用酵母线粒体的低氧微环境巧妙规避氧毒害；铁铁固氮酶(Fe-only nitrogenase)因其更简单的金属簇结构，成为真核系统表达的优选靶点。

若能进一步解决能量供应和氮素反馈调控问题，自主固氮作物将彻底变革农业体系：减少90%以上化肥使用，降低水体富营养化风险，在多样化农田中实现稳产高产。这项融合计算设计、金属蛋白工程和细胞器改造的跨学科研究，正为全球粮食安全开辟绿色新路径。