微生物所发现嗜盐古菌固定二氧化碳及合成生物塑料新途径

　　古菌是与细菌和真核生物并列的第三种生命形式，可生活于热泉、盐湖、冰川、深海热溢口及深部地下等各种极端自然环境，是地球生命极限纪录的主要保持者。这一奇特的生命形式，为探索和利用生命的极限能力及其特殊的代谢功能提供了巨大的可能性。中国科学院微生物研究所向华研究组致力于极端嗜盐古菌遗传与生理代谢机制的研究，近年来在嗜盐古菌合成生物可降解塑料PHBV研究方面取得系统了一系列重要突破。

　　2013年4月，美国Appl Environ Microbiol杂志第9期以Spotlight亮点文章（Articles of Significant Interest）形式，重点推荐并报道了向华研究组近期发现极端嗜盐古菌可固定二氧化碳进行生物可降解塑料合成并对其合成途径进行解析的工作，指出该工作不仅为古菌生物学及高盐环境碳循环提供了新的见解，还为生物可降解塑料的代谢工程优化提供了新的策略（Spotlight推介语：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“聚羟基脂肪酸酯（PHA）”是多种细菌和某些嗜盐古菌在非平衡的营养条件下产生的一类胞内聚合物。它们具有生物可降解性及组织相容性等特色，不仅在日常生活中可作为传统塑料的替代品以解决“白色污染”等环境问题，还在组织工程等高附加值领域具有诱人的应用前景。其中PHB和PHBV是两种最为常见的PHA类型，但PHBV比PHB具有更好的材料性能。与细菌不同，多数极端嗜盐古菌在不添加3HV相关前体的培养条件下，能够利用廉价非相关碳源合成PHBV，而绝大多数细菌没有这一能力。因此，通过进一步遗传、代谢及发酵工程优化，嗜盐古菌有望成为生产PHBV最价廉物美的细胞工厂。

　　但是，直到2005年向华研究组开始嗜盐古菌PHA代谢研究之前，国际上对嗜盐古菌合成PHA的关键基因及关键途径还一无所知。为解析嗜盐古菌合成PHBV的机制，挖掘提升其合成PHBV能力，并探讨嗜盐古菌碳代谢碳贮存的特殊途径及其生理生态学意义，向华研究组对嗜盐古菌PHA合成从基因组到代谢组、从关键基因到代谢途径进行了系统研究。该研究组相继完成了两株可利用非相关碳源积累PHBV的嗜盐古菌--地中海富盐菌（Haloferax mediterranei）和西班牙盐盒菌（Haloarcula hispanica）的全基因组测序工作（J Bacteriol. 2011, 193:6086； J Bacteriol. 2012, 194:4463），首次报道并系统研究了极端嗜盐古菌独特的PHA合酶（Appl Environ Microbiol. 2007, 73:6058； J Bacteriol. 2008, 190:4173；Appl Environ Microbiol. 2010, 76:7811）；多个负责前体供应的关键酶如PhaA和PhaB，以及控制PHA颗粒结构的PhaP等 （Appl Environ Microbiol. 2009, 75:6168； Appl Environ Microbiol. 2012, 78:1946等）。进而在组学水平探讨了嗜盐古菌PHA合成与中心代谢及能量代谢关系（J Proteome Res. 2013, 12:1300），并通过改变嗜盐古菌碳代谢流，提高了其PHBV产量（Appl Microbiol Biotechnol. 2013, 97:3027-36）。

　　向华研究组近期在Appl Environ Microbiol. 2013,79(9): 2922-31发表的最新工作，则解决了长期以来让人困惑的一个PHBV合成途径的关键问题：即为什么大多数细菌利用葡萄糖只能合成PHB，而嗜盐古菌却能合成3HV含量较高的材料性能更好的PHBV。该研究组综合利用组学及生物信息学分析，结合分子生物学技术、途径中间物添加、稳定同位素示踪技术等，发现地中海富盐菌存在至少4条提供丙酰-CoA的途径，包括1条为同化乙酰-CoA和CO2的3-羟基丙酸途径，该途径为其3HV提供了约1/3的碳流量。而丙酰-CoA与乙酰-CoA在PhaA和PhaB等催化下即可合成3HV-CoA而为PHBV提供3HV单体。这是首次报道CO2直接固定进入PHBV进行贮存的新途径，具有重要的生理生态学意义及生物工程开发价值。

　　本论文第一作者为韩静博士和博士研究生侯靖。该研究得到国家863项目、国家自然科学基金和中国科学院重要方向项目的资助。