古老的藍(lán)藻吸收起氮元素來(lái)，就好像巴爾扎克小說(shuō)《歐也妮·葛朗臺(tái)》里的守財(cái)奴老葛朗臺(tái)看到金幣那樣貪婪。

它究竟如何實(shí)現(xiàn)高效氮存儲(chǔ)的？科學(xué)家一直無(wú)法窺得其中奧秘。

今天，英國(guó)《自然-化學(xué)生物學(xué)》發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所楊琛研究組的最新發(fā)現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻中進(jìn)行氮代謝的途徑，解開(kāi)了這個(gè)困擾生命科學(xué)家?guī)资甑闹i團(tuán)。

新陳代謝是生命最基本的特征，碳、氫、氧、氮、硫、磷是地球生命中含量最高的六種元素，因此氮元素的代謝是地球生命圈中十分重要的一環(huán)。藍(lán)藻是地球上最早出現(xiàn)的通過(guò)光合作用養(yǎng)活自己的生物，廣泛分布于自然界，包括各種水體和土壤中，對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)有非常重要的貢獻(xiàn)。

▲藍(lán)藻在生物地球化學(xué)中具有重要作用。（植生生態(tài)所供圖）

盡管藍(lán)藻在進(jìn)化、生態(tài)、環(huán)境及生物技術(shù)等方面扮演著重要角色，但科學(xué)家對(duì)其代謝及調(diào)控機(jī)制仍然缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。比如，由于藍(lán)藻經(jīng)常處于氮源缺乏的環(huán)境中，因此一旦遇到可以利用的氮，它就會(huì)拼命“吃”進(jìn)并儲(chǔ)存到體內(nèi)?？删烤顾侨绾巫龅降?？科學(xué)家一直沒(méi)找到有效的觀測(cè)手段。而中科院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任楊琛利用一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)——代謝流量組分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻中氮代謝的重要途徑——鳥(niǎo)氨酸-氨循環(huán)。

“這種技術(shù)可以看清細(xì)胞中各種反應(yīng)的速率?！睏铊〗榻B，他們本來(lái)想看看藍(lán)藻如何適應(yīng)外界環(huán)境，就先將藍(lán)藻置于氮源匱乏的環(huán)境中，再將其移到氮源充足的地方，“這時(shí)我們觀察到細(xì)胞中鳥(niǎo)氨酸-氨的代謝通路變得十分活躍，由此發(fā)現(xiàn)了藍(lán)藻中這條從未一見(jiàn)的氮代謝途徑。”

鳥(niǎo)氨酸是生命體氮代謝中的樞紐。過(guò)去，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物體內(nèi)，鳥(niǎo)氨酸會(huì)幫助蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨變成尿素，使這種氮代謝的廢物可以隨尿液、汗液排出體外。而在植物體內(nèi)，它居然仍然在氮代謝中起著關(guān)鍵作用——它可以一把抓住營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中的兩個(gè)氮原子，一部分變成精氨酸將氮儲(chǔ)存起來(lái)，另一部分又在雙水解酶的作用下，重新變回鳥(niǎo)氨酸，繼續(xù)“吃”氮的努力。

▲科學(xué)家在藍(lán)藻中新發(fā)現(xiàn)的氮代謝途徑示意圖。（植生生態(tài)所供圖）

楊琛說(shuō)，藍(lán)藻是一座十分具有潛力的細(xì)胞工廠，在二氧化碳固定、直接合成生物燃料及化學(xué)品等方面具有巨大潛力。了解清楚了它的重要代謝途徑，合成生物學(xué)家就有可能對(duì)其代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，使之更高效地為人類(lèi)工作。同時(shí)，微生物與植物中氮代謝途徑的發(fā)現(xiàn)，也可用來(lái)改造植物，比如利用這條途徑來(lái)促進(jìn)植物體內(nèi)氮素的再利用，這樣即使在氮肥缺乏的環(huán)境中，仍然可以獲得較高的產(chǎn)量。

作者：許琦敏

編輯：郝夢(mèng)夷

責(zé)任編輯：顧軍