生科院王忆平教授课题组通过合成生物学实现“超简固氮基因组”构建

工业氮肥的施用知足了农作物高产的需求。然而氮肥过度施用会导致泥土板结和水体富营养化等环境题目。同时，流失的硝酸盐氮肥被转化为二氧化氮，可能导致癌症、心脏病，以及高于二氧化碳的温室效应。因此，工业氮肥的大量施用紧张阻碍了农业的可持续发展。相反，生物固氮是大天然提供的自然绿色氮肥，通过少数原核微生物中的复杂固氮酶体系，在常温常压下将大气中的氮气转换为生物体可行使的氨的过程。

将固氮酶体系直接导入植物细胞内，使重要农作物具有自立固氮功能的氮素的属性，从而脱节农业生产对工业氮肥这一高耗能高污染化工产品的依靠，一向是生物固氮研究领域实现农业生产“绿色革命”的梦想。

目前已知的固氮酶体系有三种，因为它们的活性中间分别由不同金属原子簇组成，被命名为钼铁、钒铁和铁铁固氮酶体系，其中以钼铁固氮酶体系活性最高，研究也最为深入。然而钼铁固氮体系每每必要十几个甚至几十个基因参与，并且这些基因之间每每必要和谐表达才能实现其功能，如此重大的基因数目极大的限定了将钼铁固氮酶体系导入植物细胞。因此如何通过合成生物学方法实现固氮酶体系的简化是将固氮酶体系导入植物细胞，实现植物自立固氮过程中必要解决的难题之一。

为了解决这一难题，王忆平课题组引入了类似数学中“合并同类项”的思想理念，同时借鉴了天然界中植物病毒中一再出现Polyprotein的策略（即共转录共翻译，然后行使特异性蛋白酶剪切成各个蛋白肽段进行组装），行使合成生物学手段成功的将Polyprotein的策略应用到了高度复杂的钼铁固氮体系的简化过程中。通过对该体系多条理有用的定量评估，漫长而复杂的多轮排列组合，成功地将本来以6个操纵子（共转录）为单元的含有18个基因的产酸克雷伯菌钼铁固氮酶体系成功的转化为5个编码Polyprotein的巨型基因，并证实其高活性可支撑大肠杆菌以氮气作为唯一氮源生长（见附图）！这一研究成果，使得新构建的固氮体系更吻合将来向真核体系乃至农作物转化的需求，使人类进一步看到了彻底脱节工业氮肥的曙光。本研究成果以“Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology”为题已于近期在美国科学院院刊（PNAS）在线发表（Yang and Xie et al., 2018, PNAS）。结合前期国际偕行及王忆平课题组已经证实的一些植物已有的功能模块，如铁硫原子簇合成模块（López-Torrejón et al., 2016, Nat Commun）、电子传递模块（Yang and Xie et al., 2017, PNAS）可以功能替换固氮酶体系中对应模块的研究成果，理论上讲只必要3个巨型基因就可以构建出能够自立固氮的高等植物。

附图：（A）固氮酶体系再分组及一一合并“同类项”过程示意图；（B）5个编码Polyprotein的巨型基因构成的固氮酶体系（VIII）支撑大肠杆菌以氮气为唯一氮源生长。

王忆平课题组的杨建国博士、谢夏青博士（现已留校）为共同第一作者，博士生相楠，田哲贤副教授为该研究提供了紧张的支撑和帮助，北京大门生命科学学院王忆平教授与英国JIC研究中间Ray Dixon教授为文章的共同通信作者。该研究工作得到了国家天然科学基金重点项目，科技部国家973重点基础研究发展计划，北京大门生科启东创新基金，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

原文链接：http://www.pnas.org/content/early/2018/07/25/1804992115.long

编辑：知远