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中国科学家发现新型氮代谢途径,助力合成生物学研究

时间:2018年04月11日 点击:

人民网上海4月10日电 4月9日,国际权威学术期刊《自然化学生物学》(Nature Chemical Biology)在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所杨琛研究组题为“精氨酸双水解酶参与蓝细菌中的鸟氨酸—氨循环”的最新研究论文。该研究首次发现了一条新型氮代谢途径——鸟氨酸—氨循环,其具有氮存储和活化的功能,对于蓝藻适应环境氮源缺乏和变化极其重要。

新陈代谢是生命最基本的特征。生物在长期的进化过程中,形成了相应的代谢系统及调控机制,来适应外界环境的变化,尤其是食物营养物质供应变化的需要。例如,陆生动物进化出著名的鸟氨酸—尿素循环,用于处理食物中蛋白质分解代谢所产生的大量氨,将氨转化为尿素后排出体外。因此,鸟氨酸—尿素循环是细胞氮废物排除的关键,是陆生动物高蛋白饮食必要的代谢途径。然而,细菌和植物缺乏这一代谢途径。

蓝藻(又名蓝细菌)是地球上最早出现的光合自养生物,它们利用水作为电子供体,利用太阳光能将CO2还原成有机碳化合物,并释放出自由氧,在地球生物圈形成和发展过程中起了关键作用。蓝藻广泛分布于自然界,包括各种水体和土壤中,对生物地球化学循环有非常重要的贡献。同时蓝藻在生物技术应用方面也极具潜力。尽管蓝藻在进化、生态、环境及生物技术等方面扮演着重要角色,人们对其代谢及调控机制仍然缺乏系统的认识。

中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所杨琛研究组利用动态代谢流量组与代谢组分析技术发现的鸟氨酸—氨循环包含新的生化反应,即精氨酸双水解酶催化精氨酸水解生成鸟氨酸和氨。研究表明,在氮源充足条件下鸟氨酸-氨循环促使氮同化及存储以最大速率进行,而在氮源匮乏时该循环使得细胞中的氮储存迅速分解,从而满足细胞的生长需要。

鸟氨酸-氨循环在蓝藻中广泛存在,包括许多海洋固氮蓝藻,所以它对于海洋氮固定乃至地球的氮循环都具有非常重要的贡献。作为地球上最古老的居民,蓝藻细胞内的鸟氨酸-氨循环比动物体内的鸟氨酸-尿素循环出现的更早。与哺乳动物不同,在蓝藻的天然生存环境中氮源往往匮乏,使其处于氮饥饿状态。因此,蓝藻细胞内氮的“仓储”与“周转”对其适应生存环境极为重要,而鸟氨酸-氨循环是实现该“物流”的核心线路。这一发现有助于合成生物学家设计和改造蓝藻、实现CO2到生物燃料和化学品的直接转化,同时为理解和提高农作物的氮素使用效率提供新的思路。

该研究中的一个核心技术是代谢流量组分析技术。代谢流量组(Fluxomics)是细胞内代谢反应速率的集合。如果将细胞代谢网络类比于城市地铁网络,那么代谢流量就是某地铁站某号线的单位时间客流量,而代谢物浓度则是该地铁站的乘客人数。然而,与代谢组及其它组学不同的是,细胞内的代谢流量不能被直接检测。中国科学院合成生物学重点实验室副主任杨琛研究员带领研究组经过10年的努力,利用稳定同位素13C及15N示踪技术,针对各种生物体系开发了一系列稳态及动态代谢流量分析技术,建立了代谢流量组与代谢组分析技术平台。通过准确及时地掌握细胞代谢网络的运行情况、揭示关键代谢途径在不同条件下的流量变化,能够为合成生物学、微生物学以及生物医学等研究提供重要的技术支撑。

该工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中国科学院等的项目资助。