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杨琛研究组发现蓝藻代谢与环境适应的新途径

2018年4月9日,《Nature Chemical Biology》杂志在线发表了我所杨琛研究组题为“The cyanobacterial ornithine-ammonia cycle involves an arginine dihydrolase”的研究论文。该研究利用动态代谢流量组与代谢组分析技术发现了一条新的代谢途径,并且揭示了该途径为蓝藻适应环境所必需及其重要的进化及生态学意义。

生物在进化过程中形成适应外界营养环境变化的代谢系统及调控机制。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,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,它们适应环境变化的细胞代谢动态调节机制仍不清楚。

中科院合成生物学重点实验室杨琛研究组利用前期开发的动态代谢流量组与代谢组分析技术,研究了蓝藻对于外界氮源扰动的代谢响应,发现细胞内鸟氨酸和精氨酸之间存在活跃的代谢循环。进而发现该循环包含一步新的生化反应,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。因此,鸟氨酸-氨循环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。与动物体内的鸟氨酸-尿素循环相比,鸟氨酸-氨循环更为古老,它的存在提示不同物种为适应其生存环境可能进化出各种鸟氨酸循环。鸟氨酸-氨循环在蓝藻中广泛存在,包括许多海洋固氮蓝藻,因此这一代谢途径对于海洋氮固定乃至地球的氮循环具有重要贡献。专家评论这项工作将引起化学生物学和微生物学领域研究学者的广泛关注,并对海洋学和农业方面的研究产生影响,同时在代谢工程和合成生物学领域应用前景广阔。

植生生态所博士研究生张昊为论文第一作者,杨琛研究员为通讯作者。该工作是与本所赵国屏院士等合作完成,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。



新的氮代谢途径—鸟氨酸-氨循环


 

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