工業氮肥的施用滿足了農作物高產的需求。然而氮肥過度施用會導致土壤板結和水體富營養化等環境問題。同時，流失的硝酸鹽氮肥被轉化為二氧化氮，可能導致癌症、心臟病，以及高於二氧化碳的溫室效應。因此，工業氮肥的大量施用嚴重阻礙了農業的可持續發展。相反，生物固氮是大自然提供的天然綠色氮肥，通過少數原核微生物中的複雜固氮酶系統，在常溫常壓下將大氣中的氮氣轉換為生物體可利用的氨的過程。
將固氮酶系統直接導入植物細胞內，使主要農作物具有自主固氮功能的氮素的屬性，從而擺脫農業生產對工業氮肥這一高耗能高汙染化工產品的依賴，一直是生物固氮研究領域實現農業生產「綠色革命」的夢想。
目前已知的固氮酶系統有三種，由於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，其中以鉬鐵固氮酶系統活性最高，研究也最為深入。然而鉬鐵固氮系統往往需要十幾個甚至幾十個基因參與，並且這些基因之間往往需要協調表達才能實現其功能，如此龐大的基因數目極大的限制了將鉬鐵固氮酶系統導入植物細胞。因此如何通過合成生物學方法實現固氮酶系統的簡化是將固氮酶系統導入植物細胞，實現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學中「合併同類項」的思想理念，同時借鑑了自然界中植物病毒中頻頻出現Polyprotein的策略（即共轉錄共翻譯，然後利用特異性蛋白酶剪切成各個蛋白肽段進行組裝），利用合成生物學手段成功的將Polyprotein的策略應用到了高度複雜的鉬鐵固氮系統的簡化過程中。通過對該系統多層次有效的定量評估，漫長而複雜的多輪排列組合，成功地將原本以6個操縱子（共轉錄）為單元的含有18個基因的產酸克雷伯菌鉬鐵固氮酶系統成功的轉化為5個編碼Polyprotein的巨型基因，並證明其高活性可支持大腸桿菌以氮氣作為唯一氮源生長（見附圖）！這一研究成果，使得新構建的固氮系統更符合未來向真核系統乃至農作物轉化的需求，使人類進一步看到了徹底擺脫工業氮肥的曙光。本研究成果以「Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology」為題已於近期在美國科學院院刊（PNAS）在線發表（Yang and Xie et al., 2018, PNAS）。結合前期國際同行及王憶平課題組已經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中對應模塊的研究成果，理論上講只需要3個巨型基因就可以構建出能夠自主固氮的高等植物。
附圖：（A）固氮酶系統再分組及逐一合併「同類項」過程示意圖；（B）5個編碼Polyprotein的巨型基因構成的固氮酶系統（VIII）支持大腸桿菌以氮氣為唯一氮源生長。
王憶平課題組的楊建國博士、謝夏青博士（現已留校）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，北京大學生命科學學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基金重點項目，科技部國家973重點基礎研究發展計劃，北京大學生科啟東創新基金，蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室的資助。