PNAS | 王憶平研究組通過合成生物學(xué)實(shí)現(xiàn)“超簡(jiǎn)固氮基因組”構(gòu)建
工業(yè)氮肥的施用滿足了農(nóng)作物高產(chǎn)的需求。然而氮肥過度施用會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。同時(shí)，流失的硝酸鹽氮肥被轉(zhuǎn)化為二氧化氮，可能導(dǎo)致癌癥、心臟病，以及高于二氧化碳的溫室效應(yīng)。因此，工業(yè)氮肥的大量施用嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。相反，生物固氮是大自然提供的天然綠色氮肥，通過少數(shù)原核微生物中的復(fù)雜固氮酶系統(tǒng)，在常溫常壓下將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)換為生物體可利用的氨的過程。
將固氮酶系統(tǒng)直接導(dǎo)入植物細(xì)胞內(nèi)，使主要農(nóng)作物具有自主固氮功能的氮素的屬性，從而擺脫農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)工業(yè)氮肥這一高耗能高污染化工產(chǎn)品的依賴，一直是生物固氮研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“綠色革命”的夢(mèng)想。
目前已知的固氮酶系統(tǒng)有三種，由于它們的活性中心分別由不同金屬原子簇組成，被命名為鉬鐵、釩鐵和鐵鐵固氮酶系統(tǒng)，其中以鉬鐵固氮酶系統(tǒng)活性最高，研究也最為深入。然而鉬鐵固氮系統(tǒng)往往需要十幾個(gè)甚至幾十個(gè)基因參與，并且這些基因之間往往需要協(xié)調(diào)表達(dá)才能實(shí)現(xiàn)其功能，如此龐大的基因數(shù)目極大的限制了將鉬鐵固氮酶系統(tǒng)導(dǎo)入植物細(xì)胞。因此如何通過合成生物學(xué)方法實(shí)現(xiàn)固氮酶系統(tǒng)的簡(jiǎn)化是將固氮酶系統(tǒng)導(dǎo)入植物細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)植物自主固氮過程中需要解決的難題之一。
為了解決這一難題，王憶平課題組引入了類似數(shù)學(xué)中“合并同類項(xiàng)”的思想理念，同時(shí)借鑒了自然界中植物病毒中頻頻出現(xiàn)Polyprotein的策略（即共轉(zhuǎn)錄共翻譯，然后利用特異性蛋白酶剪切成各個(gè)蛋白肽段進(jìn)行組裝），利用合成生物學(xué)手段成功的將Polyprotein的策略應(yīng)用到了高度復(fù)雜的鉬鐵固氮系統(tǒng)的簡(jiǎn)化過程中。通過對(duì)該系統(tǒng)多層次有效的定量評(píng)估，漫長而復(fù)雜的多輪排列組合，成功地將原本以6個(gè)操縱子（共轉(zhuǎn)錄）為單元的含有18個(gè)基因的產(chǎn)酸克雷伯菌鉬鐵固氮酶系統(tǒng)成功的轉(zhuǎn)化為5個(gè)編碼Polyprotein的巨型基因，并證明其高活性可支持大腸桿菌以氮?dú)庾鳛槲ㄒ坏瓷L（見附圖）！這一研究成果，使得新構(gòu)建的固氮系統(tǒng)更符合未來向真核系統(tǒng)乃至農(nóng)作物轉(zhuǎn)化的需求，使人類進(jìn)一步看到了徹底擺脫工業(yè)氮肥的曙光。本研究成果以“Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology”為題已于近期在美國科學(xué)院院刊（PNAS）在線發(fā)表（Yang and Xie et al., 2018, PNAS）。結(jié)合前期國際同行及王憶平課題組已經(jīng)證明的一些植物已有的功能模塊，如鐵硫原子簇合成模塊（López-Torrejón et al., 2016, Nat Commun）、電子傳遞模塊（Yang and Xie et al., 2017, PNAS）可以功能替代固氮酶系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)模塊的研究成果，理論上講只需要3個(gè)巨型基因就可以構(gòu)建出能夠自主固氮的高等植物。
附圖：（A）固氮酶系統(tǒng)再分組及逐一合并“同類項(xiàng)”過程示意圖；（B）5個(gè)編碼Polyprotein的巨型基因構(gòu)成的固氮酶系統(tǒng)（VIII）支持大腸桿菌以氮?dú)鉃槲ㄒ坏瓷L。
王憶平課題組的楊建國博士、謝夏青博士（現(xiàn)已留校）為共同第一作者，博士生相楠，田哲賢副教授為該研究提供了重要的支持和幫助，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王憶平教授與英國JIC研究中心Ray Dixon教授為文章的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，科技部國家973重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃，北京大學(xué)生科啟東創(chuàng)新基金，蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
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