发布日期： 2024年01月04日
来源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT
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马克斯-普朗克陆地微生物研究所的研究人员已经开发出一种合成的生化循环，可以直接将二氧化碳转化为核心的乙酰辅酶A。研究人员能够在大肠杆菌中实现这三个循环模块中的每一个，这代表了在活细胞环境下实现合成二氧化碳固定途径的重要一步。
开发捕获和转化二氧化碳的新方法是应对气候紧急情况的关键。合成生物学为设计新的自然二氧化碳固定途径开辟了道路，这些途径比自然发展的途径更有效地捕获二氧化碳。然而，在不同的体外和体内系统中实现这些新的自然途径仍然是一个根本性的挑战。现在，Tobias Erb小组的研究人员设计并构建了一种新的合成二氧化碳固定途径，即所谓的THETA循环。它含有几个中心代谢物作为中间产物，并以中心构建块乙酰辅酶A作为其输出物。这一特点使其有可能被分成模块并整合到大肠杆菌的中心代谢中。
整个THETA循环涉及17种生物催化剂，并围绕迄今为止已知的两种最快的二氧化碳固定酶进行设计:crotonyl-CoA羧化酶/还原酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。研究人员在细菌中发现了这些强大的生物催化剂。尽管每一种羧化酶捕获二氧化碳的速度都比叶绿体中固定二氧化碳的酶RubisCO快10倍以上，但进化本身并没有使这些有能力的酶在自然光合作用中结合在一起。
THETA循环在一个循环中将两个CO2分子转化为一个乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是几乎所有细胞代谢的中心代谢物，是生物燃料、生物材料和药物等一系列重要生物分子的组成部分，使其成为生物技术应用中非常感兴趣的化合物。在试管中构建循环后，研究人员可以确认其功能。为了测试其在体内的可行性，应逐步将其纳入活细胞。为此，研究人员将THETA循环分为三个模块，每个模块都成功地在大肠杆菌中实施。通过生长耦合选择和/或同位素标记验证了这些模块的功能。
“这个循环的特别之处在于它包含了几种中间产物，这些中间产物在细菌的新陈代谢中起着中心代谢物的作用。这种重叠提供了为其实现开发模块化方法的机会。该研究的主要作者Shanshan Luo解释说。“我们能够展示大肠杆菌中三个独立模块的功能。然而，我们还没有成功地关闭整个循环，使大肠杆菌可以完全与二氧化碳一起生长，关闭THETA循环仍然是一个重大挑战，因为所有17个反应都需要与大肠杆菌的自然代谢同步，这自然涉及数百到数千个反应。然而，在体内展示整个周期并不是唯一的目标。罗珊珊说:“我们的循环有潜力成为一个多功能平台，通过扩展其输出分子乙酰辅酶A，直接从二氧化碳中生产有价值的化合物。”
Tobias Erb补充说:“将THETA循环的一部分引入活细胞是合成生物学的重要原理证明。这种在大肠杆菌中实现的模块化循环为在细胞工厂中实现高度复杂、正交的新型自然二氧化碳固定途径铺平了道路。我们正在学习完全重新编程细胞代谢，为细胞创造一个合成的自养操作系统。”
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