童天在做實驗。王昊昊/攝

在多數人的認知里，大腸桿菌是一種致病菌，很難想象它能和綠色制造與緩解全球變暖沾上邊。

中南林業(yè)科技大學教授劉高強團隊聯合江南大學教授劉立明團隊成功在大腸桿菌中構建人工光合系統(tǒng)（人工葉綠體）。這是科學家首次在非光合微生物體內構建全新的人工光合系統(tǒng)。

在此基礎上，科研團隊在大腸桿菌里設計了類似小程序的能量適配器，讓該光合系統(tǒng)能被編程為3種模式，使大腸桿菌可以利用光能和二氧化碳等一碳底物合成丙酮、蘋果酸和α-酮戊二酸3種產品，并實現產品生產的負碳足跡。日前，相關研究成果發(fā)表于《自然-通訊》。

為什么是大腸桿菌？

在全球氣候變化與環(huán)境問題日益嚴重的背景下，世界各國都在竭力尋找能夠大幅減少碳排放的解決方案。

生物固碳被認為是最有效的降碳方式之一。它就像給地球裝了一個巨型的空氣凈化器，植物就像凈化器里的濾芯，通過光合作用把大氣中的二氧化碳“吸”進去，然后轉化成生長需要的能量和物質，同時釋放氧氣。這樣，大氣中的二氧化碳就被固定下來。這個過程就是生物固碳。

自然光合作用能將太陽能和大氣中的二氧化碳轉化為生物質。盡管藍藻等少數微生物也具有光合作用，但種類少、效率低且無法被人類大規(guī)模利用。在林業(yè)高校長期從事微生物領域研究的劉高強表示，雖然大多微生物制造本身就是綠色制造，但團隊一直在思考如何通過微生物將自然界中的碳固定下來，或轉化為其他高價值產品。

“事實上，微生物的本領很大，很多生物制造產業(yè)都是靠微生物支撐的?！眲⒏邚娬f。

那么，該選哪一種微生物作為研究對象？

大腸桿菌和酵母是兩種被人類廣泛用于大規(guī)模產品生產的工業(yè)微生物和模式微生物?！叭藗兛赡軐湍父煜ひ恍?，對大腸桿菌的認識則停留在腸道中的致病菌?！眲⒏邚娬f，其實大腸桿菌是一種條件致病菌，只有在特定條件下才會致病。人們對它的研究已經很透徹，比如它的細胞結構和功能、遺傳信息等都比較清晰；它能大規(guī)模培養(yǎng)，約超過30%的重組蛋白質藥物是通過大腸桿菌表達生產的；它還可以生產酸奶、氨基酸、乙醇、酶以及抗生素、疫苗等產品。

同時，劉立明團隊此前圍繞作為底盤菌株的大腸桿菌做了一定的研究。因此，大腸桿菌最終被該團隊選為實驗對象。

“穿針引線”造光反應

選定實驗對象后，如何讓不具備光合作用的大腸桿菌進行光合反應？

進行光合作用必須有光反應和暗反應這兩個重要階段。光反應就像光合作用中的“發(fā)電站”，是利用光能制造ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（還原型輔酶Ⅱ）這兩個能量分子；暗反應則像是光合作用中的“工廠”，植物利用光反應產生的兩種能量分子固定二氧化碳，這個階段不需要光，在黑暗中也能進行。

“4年多前我們就開始了這項研究?！碑敃r，論文第一作者童天還是劉高強和劉立明聯合培養(yǎng)的一年級博士生，“這項研究貫穿了我的整個博士階段” 。

在沒有光合作用的微生物里構建人工光合系統(tǒng)，以前雖研究過，但可供該團隊借鑒的并不多。好在劉立明團隊之前對暗反應已經做了相關研究。

劉立明表示，構建光反應，最關鍵的步驟是引入一個能捕獲外界光的系統(tǒng)。天然光合細菌的光系統(tǒng)蛋白復合物結構與功能已被解析，其光合反應的核心蛋白為PufL。

“PufL內部結合著細菌葉綠素a，基于此，我們猜想只要將PufL核心蛋白放置在大腸桿菌中，再讓其與細菌葉綠素a的類似物結合，就可以組成一個簡易的光系統(tǒng)，實現捕獲光能?！眲⒘⒚髡f。

有了構想，團隊立即著手構建光反應模型?！澳Ｐ图纫押诵牡鞍捉M裝到大腸桿菌的細胞膜上，還要讓它固定下來，然后調控核心蛋白的表達強度，這個過程只有不斷試錯才能完成?！蓖煺f。

一開始，做了大量調研的童天信心滿滿，以為很快就能構建好光反應模型。然而，一次次的實驗失敗讓他意識到困難重重?！笆冀K沒法捕獲光能。”

“那段時間每周和導師交流實驗進度，結果都是‘無進展’?！北藭r的童天已到了博士生二年級后期，是時候確定研究方向和課題了?！耙苍脒^換個方向，但這又是我喜歡的，舍不得。好在導師不斷開導，讓我在反復調研最新文獻中找到了思路?！?/p>

通過反復調研最新文獻，童天發(fā)現，有研究團隊解析了光合細菌的光系統(tǒng)蛋白復合物結構。在這些蛋白結構解析中，他發(fā)現了光系統(tǒng)核心蛋白PufL。為了將核心蛋白PufL引入大腸桿菌中，該團隊挖掘到大腸桿菌自身的跨內膜蛋白NuoK*。所謂跨內膜蛋白，就是能穿過細菌內膜的蛋白質，它們能讓一些特定的物質進出細胞。

錨定蛋白就像細胞里的“支架”，能把細胞里的其他重要成分牢牢固定在一起?！拔覀儼l(fā)現，將NuoK*作為錨定蛋白時，它能利用自身機制以類似‘穿針引線’的方式將PufL核心蛋白穿入內膜中，并以‘手拉手’的形式組成骨架蛋白復合物NuoK*+PufL?！蓖煺f。

在此基礎上，為了讓光系統(tǒng)實現太陽能捕獲，研究人員在大腸桿菌細胞中合成了一種細菌葉綠素a分子的類似物MgP，并將其以“搭橋”的方式連接到大腸桿菌細胞代謝途徑上，從而構建了一個全新的光反應。

“正式發(fā)表的論文中，主圖有8幅，附圖多達51幅。這些圖表是經過無數次失敗后才得到的?！蓖旄嬖V記者。

設計“小程序”實現智能生產

和天然的大腸桿菌相比，構建了光反應的大腸桿菌，其細胞內的ATP和NADH（還原型輔酶Ⅰ）含量分別增加了337.9%和383.7%。

光反應和暗反應是光合作用中兩個相互依存、相互制約的過程，光反應產生能量，才能驅動暗反應。有了光反應，如何將其與暗反應有效銜接，對于光合作用的順利進行至關重要。

為此，研究團隊在大腸桿菌的細胞內設置了一個能量感受器和能量執(zhí)行器，讓二者構成一個基因回路。這好比一個“小程序”，感受器和執(zhí)行器均可根據接收到的信號作出相應調整。

“將光反應、暗反應和‘小程序’組裝起來，就形成了一個智能的全新光合系統(tǒng)?！眲⒘⒚鞅硎荆绻患印靶〕绦颉?，光合系統(tǒng)依然能起作用，但功能單一，只能生產簡單的產品；加了“小程序”，則可通過對其編程生產不同產品。

目前，該團隊研發(fā)的人工光合系統(tǒng)已經能夠被編程為3種模式，可以生產丙酮、蘋果酸和α-酮戊二酸3種產品。

那么，這套人工光合系統(tǒng)離實現工業(yè)應用還有多遠？對此，劉高強表示，目前系統(tǒng)仍處于實驗室實驗階段，其系統(tǒng)元件配置、穩(wěn)定性和產品生產工藝等還需要不斷優(yōu)化?！拔覀冊诶萌斯す夂舷到y(tǒng)讓非光合微生物進行光合作用方面已經邁出了很重要的一步。這給了我們很多啟示，未來將嘗試在酵母甚至大型藥用菌等微生物中構建人工光合系統(tǒng)，讓可大規(guī)模生產的微生物將光能轉化為代謝能，發(fā)揮更大的生物制造效益?！?/p>

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55498-y

來源： 中國科學報