蓝藻究竟如何实现高效氮存储的?


时间: 2018-04-13 16:50:57 关键词:蓝藻 

蓝藻中从未一见的鸟氨酸-氨循环,会为您带来何种惊喜?

 

 

  古老的蓝藻吸收起氮元素来,就好像巴尔扎克小说《欧也妮·葛朗台》里的守财奴老葛朗台看到金币那样贪婪。

 

  它究竟如何实现高效氮存储的?科学家一直无法窥得其中奥秘。

 

  今天,英国《自然-化学生物学》发表了中国科学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的最新发现,他们发现了蓝藻中进行氮代谢的途径,解开了这个困扰生命科学家几十年的谜团。

 

  新陈代谢是生命最基本的特征,碳、氢、氧、氮、硫、磷是地球生命中含量最高的六种元素,因此氮元素的代谢是地球生命圈中十分重要的一环。蓝藻是地球上最早出现的通过光合作用养活自己的生物,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。

 

蓝藻中从未一见的鸟氨酸-氨循环,会为您带来何种惊喜?

 

 

 

  蓝藻在生物地球化学中具有重要作用。(植生生态所供图)

 

  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,但科学家对其代谢及调控机制仍然缺乏系统的认识。比如,由于蓝藻经常处于氮源缺乏的环境中,因此一旦遇到可以利用的氮,它就会拼命“吃”进并储存到体内。可究竟它是如何做到的?科学家一直没找到有效的观测手段。而中科院合成生物学重点实验室副主任杨琛利用一种新的实验技术——代谢流量组分析技术,发现了蓝藻中氮代谢的重要途径——鸟氨酸-氨循环。

 

  “这种技术可以看清细胞中各种反应的速率。”杨琛介绍,他们本来想看看蓝藻如何适应外界环境,就先将蓝藻置于氮源匮乏的环境中,再将其移到氮源充足的地方,“这时我们观察到细胞中鸟氨酸-氨的代谢通路变得十分活跃,由此发现了蓝藻中这条从未一见的氮代谢途径。”

 

  鸟氨酸是生命体氮代谢中的枢纽。过去,科学家已经发现,在动物体内,鸟氨酸会帮助蛋白质分解产生的氨变成尿素,使这种氮代谢的废物可以随尿液、汗液排出体外。而在植物体内,它居然仍然在氮代谢中起着关键作用——它可以一把抓住营养物质中的两个氮原子,一部分变成精氨酸将氮储存起来,另一部分又在双水解酶的作用下,重新变回鸟氨酸,继续“吃”氮的努力。

 

蓝藻中从未一见的鸟氨酸-氨循环,会为您带来何种惊喜?

 

 

 

  科学家在蓝藻中新发现的氮代谢途径示意图。(植生生态所供图)

 

  杨琛说,蓝藻是一座十分具有潜力的细胞工厂,在二氧化碳固定、直接合成生物燃料及化学品等方面具有巨大潜力。了解清楚了它的重要代谢途径,合成生物学家就有可能对其代谢网络进行改造,使之更高效地为人类工作。同时,微生物与植物中氮代谢途径的发现,也可用来改造植物,比如利用这条途径来促进植物体内氮素的再利用,这样即使在氮肥缺乏的环境中,仍然可以获得较高的产量。

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