微生物所發現嗜鹽古菌固定二氧化碳及合成生物塑料新途徑

2020-11-25 中國科學院

古菌是與細菌和真核生物並列的第三種生命形式，可生活於熱泉、鹽湖、冰川、深海熱溢口及深部地下等各種極端自然環境，是地球生命極限紀錄的主要保持者。這一奇特的生命形式，為探索和利用生命的極限能力及其特殊的代謝功能提供了巨大的可能性。中國科學院微生物研究所向華研究組致力於極端嗜鹽古菌遺傳與生理代謝機制的研究，近年來在嗜鹽古菌合成生物可降解塑料PHBV研究方面取得系統了一系列重要突破。

2013年4月，美國Appl Environ Microbiol雜誌第9期以Spotlight亮點文章（Articles of Significant Interest）形式，重點推薦並報導了向華研究組近期發現極端嗜鹽古菌可固定二氧化碳進行生物可降解塑料合成並對其合成途徑進行解析的工作，指出該工作不僅為古菌生物學及高鹽環境碳循環提供了新的見解，還為生物可降解塑料的代謝工程優化提供了新的策略（Spotlight推介語：This work has shed light on archaeal biology and carbon cycling in hypersaline ecosystems and may also provide novel strategies for PHBV engineering with controllable monomer composition）。 

生物可降解塑料「聚羥基脂肪酸酯（PHA）」是多種細菌和某些嗜鹽古菌在非平衡的營養條件下產生的一類胞內聚合物。它們具有生物可降解性及組織相容性等特色，不僅在日常生活中可作為傳統塑料的替代品以解決「白色汙染」等環境問題，還在組織工程等高附加值領域具有誘人的應用前景。其中PHB和PHBV是兩種最為常見的PHA類型，但PHBV比PHB具有更好的材料性能。與細菌不同，多數極端嗜鹽古菌在不添加3HV相關前體的培養條件下，能夠利用廉價非相關碳源合成PHBV，而絕大多數細菌沒有這一能力。因此，通過進一步遺傳、代謝及發酵工程優化，嗜鹽古菌有望成為生產PHBV最價廉物美的細胞工廠。 

但是，直到2005年向華研究組開始嗜鹽古菌PHA代謝研究之前，國際上對嗜鹽古菌合成PHA的關鍵基因及關鍵途徑還一無所知。為解析嗜鹽古菌合成PHBV的機制，挖掘提升其合成PHBV能力，並探討嗜鹽古菌碳代謝碳貯存的特殊途徑及其生理生態學意義，向華研究組對嗜鹽古菌PHA合成從基因組到代謝組、從關鍵基因到代謝途徑進行了系統研究。該研究組相繼完成了兩株可利用非相關碳源積累PHBV的嗜鹽古菌--地中海富鹽菌（Haloferax mediterranei）和西班牙鹽盒菌（Haloarcula hispanica）的全基因組測序工作（J Bacteriol. 2011, 193:6086; J Bacteriol. 2012, 194:4463），首次報導並系統研究了極端嗜鹽古菌獨特的PHA合酶（Appl Environ Microbiol. 2007, 73:6058; J Bacteriol. 2008, 190:4173；Appl Environ Microbiol. 2010, 76:7811）；多個負責前體供應的關鍵酶如PhaA和PhaB，以及控制PHA顆粒結構的PhaP等 （Appl Environ Microbiol. 2009, 75:6168; Appl Environ Microbiol. 2012, 78:1946等）。進而在組學水平探討了嗜鹽古菌PHA合成與中心代謝及能量代謝關係（J Proteome Res. 2013, 12:1300），並通過改變嗜鹽古菌碳代謝流，提高了其PHBV產量（Appl Microbiol Biotechnol. 2013, 97:3027-36）。 

向華研究組近期在Appl Environ Microbiol. 2013,79(9): 2922-31發表的最新工作，則解決了長期以來讓人困惑的一個PHBV合成途徑的關鍵問題：即為什麼大多數細菌利用葡萄糖只能合成PHB，而嗜鹽古菌卻能合成3HV含量較高的材料性能更好的PHBV。該研究組綜合利用組學及生物信息學分析，結合分子生物學技術、途徑中間物添加、穩定同位素示蹤技術等，發現地中海富鹽菌存在至少4條提供丙醯-CoA的途徑，包括1條為同化乙醯-CoA和CO2的3-羥基丙酸途徑，該途徑為其3HV提供了約1/3的碳流量。而丙醯-CoA與乙醯-CoA在PhaA和PhaB等催化下即可合成3HV-CoA而為PHBV提供3HV單體。這是首次報導CO2直接固定進入PHBV進行貯存的新途徑，具有重要的生理生態學意義及生物工程開發價值。

本論文第一作者為韓靜博士和博士研究生侯靖。該研究得到國家863項目、國家自然科學基金和中國科學院重要方向項目的資助。　

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