首次！他們讓大腸桿菌實(shí)現(xiàn)光合作用

童天在做實(shí)驗(yàn)。王昊昊/攝

在多數(shù)人的認(rèn)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(xué)教授劉高強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合江南大學(xué)教授劉立明團(tuán)隊(duì)成功在大腸桿菌中構(gòu)建人工光合系統(tǒng)（人工葉綠體）。這是科學(xué)家首次在非光合微生物體內(nèi)構(gòu)建全新的人工光合系統(tǒng)。

在此基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌里設(shè)計(jì)了類(lèi)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(píng)果酸和α-酮戊二酸3種產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)的負(fù)碳足跡。日前，相關(guān)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(wèn)題日益嚴(yán)重的背景下，世界各國(guó)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(rèn)為是最有效的降碳方式之一。它就像給地球裝了一個(gè)巨型的空氣凈化器，植物就像凈化器里的濾芯，通過(guò)光合作用把大氣中的二氧化碳“吸”進(jìn)去，然后轉(zhuǎn)化成生長(zhǎng)需要的能量和物質(zhì)，同時(shí)釋放氧氣。這樣，大氣中的二氧化碳就被固定下來(lái)。這個(gè)過(guò)程就是生物固碳。

自然光合作用能將太陽(yáng)能和大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。盡管藍(lán)藻等少數(shù)微生物也具有光合作用，但種類(lèi)少、效率低且無(wú)法被人類(lèi)大規(guī)模利用。在林業(yè)高校長(zhǎng)期從事微生物領(lǐng)域研究的劉高強(qiáng)表示，雖然大多微生物制造本身就是綠色制造，但團(tuán)隊(duì)一直在思考如何通過(guò)微生物將自然界中的碳固定下來(lái)，或轉(zhuǎn)化為其他高價(jià)值產(chǎn)品。

“事實(shí)上，微生物的本領(lǐng)很大，很多生物制造產(chǎn)業(yè)都是靠微生物支撐的?！眲⒏邚?qiáng)說(shuō)。

那么，該選哪一種微生物作為研究對(duì)象？

大腸桿菌和酵母是兩種被人類(lèi)廣泛用于大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)的工業(yè)微生物和模式微生物。“人們可能對(duì)酵母更熟悉一些，對(duì)大腸桿菌的認(rèn)識(shí)則停留在腸道中的致病菌?！眲⒏邚?qiáng)說(shuō)，其實(shí)大腸桿菌是一種條件致病菌，只有在特定條件下才會(huì)致病。人們對(duì)它的研究已經(jīng)很透徹，比如它的細(xì)胞結(jié)構(gòu)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(guò)30%的重組蛋白質(zhì)藥物是通過(guò)大腸桿菌表達(dá)生產(chǎn)的；它還可以生產(chǎn)酸奶、氨基酸、乙醇、酶以及抗生素、疫苗等產(chǎn)品。

同時(shí)，劉立明團(tuán)隊(duì)此前圍繞作為底盤(pán)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(tuán)隊(duì)選為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

“穿針引線”造光反應(yīng)

選定實(shí)驗(yàn)對(duì)象后，如何讓不具備光合作用的大腸桿菌進(jìn)行光合反應(yīng)？

進(jìn)行光合作用必須有光反應(yīng)和暗反應(yīng)這兩個(gè)重要階段。光反應(yīng)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(gè)能量分子；暗反應(yīng)則像是光合作用中的“工廠”，植物利用光反應(yīng)產(chǎn)生的兩種能量分子固定二氧化碳，這個(gè)階段不需要光，在黑暗中也能進(jìn)行。

“4年多前我們就開(kāi)始了這項(xiàng)研究?！碑?dāng)時(shí)，論文第一作者童天還是劉高強(qiáng)和劉立明聯(lián)合培養(yǎng)的一年級(jí)博士生，“這項(xiàng)研究貫穿了我的整個(gè)博士階段” 。

在沒(méi)有光合作用的微生物里構(gòu)建人工光合系統(tǒng)，以前雖研究過(guò)，但可供該團(tuán)隊(duì)借鑒的并不多。好在劉立明團(tuán)隊(duì)之前對(duì)暗反應(yīng)已經(jīng)做了相關(guān)研究。

劉立明表示，構(gòu)建光反應(yīng)，最關(guān)鍵的步驟是引入一個(gè)能捕獲外界光的系統(tǒng)。天然光合細(xì)菌的光系統(tǒng)蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)與功能已被解析，其光合反應(yīng)的核心蛋白為PufL。

“PufL內(nèi)部結(jié)合著細(xì)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(xì)菌葉綠素a的類(lèi)似物結(jié)合，就可以組成一個(gè)簡(jiǎn)易的光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)捕獲光能。”劉立明說(shuō)。

有了構(gòu)想，團(tuán)隊(duì)立即著手構(gòu)建光反應(yīng)模型。“模型既要把核心蛋白組裝到大腸桿菌的細(xì)胞膜上，還要讓它固定下來(lái)，然后調(diào)控核心蛋白的表達(dá)強(qiáng)度，這個(gè)過(guò)程只有不斷試錯(cuò)才能完成?！蓖煺f(shuō)。

一開(kāi)始，做了大量調(diào)研的童天信心滿滿，以為很快就能構(gòu)建好光反應(yīng)模型。然而，一次次的實(shí)驗(yàn)失敗讓他意識(shí)到困難重重?！笆冀K沒(méi)法捕獲光能?！?/p>

“那段時(shí)間每周和導(dǎo)師交流實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，結(jié)果都是‘無(wú)進(jìn)展’?！北藭r(shí)的童天已到了博士生二年級(jí)后期，是時(shí)候確定研究方向和課題了。“也曾想過(guò)換個(gè)方向，但這又是我喜歡的，舍不得。好在導(dǎo)師不斷開(kāi)導(dǎo)，讓我在反復(fù)調(diào)研最新文獻(xiàn)中找到了思路。”

通過(guò)反復(fù)調(diào)研最新文獻(xiàn)，童天發(fā)現(xiàn)，有研究團(tuán)隊(duì)解析了光合細(xì)菌的光系統(tǒng)蛋白復(fù)合物結(jié)構(gòu)。在這些蛋白結(jié)構(gòu)解析中，他發(fā)現(xiàn)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(tuán)隊(duì)挖掘到大腸桿菌自身的跨內(nèi)膜蛋白NuoK*。所謂跨內(nèi)膜蛋白，就是能穿過(guò)細(xì)菌內(nèi)膜的蛋白質(zhì)，它們能讓一些特定的物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。

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

在此基礎(chǔ)上，為了讓光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能捕獲，研究人員在大腸桿菌細(xì)胞中合成了一種細(xì)菌葉綠素a分子的類(lèi)似物MgP，并將其以“搭橋”的方式連接到大腸桿菌細(xì)胞代謝途徑上，從而構(gòu)建了一個(gè)全新的光反應(yīng)。

“正式發(fā)表的論文中，主圖有8幅，附圖多達(dá)51幅。這些圖表是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次失敗后才得到的?！蓖旖榻B。

設(shè)計(jì)“小程序”實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)

和天然的大腸桿菌相比，構(gòu)建了光反應(yīng)的大腸桿菌，其細(xì)胞內(nèi)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(yīng)和暗反應(yīng)是光合作用中兩個(gè)相互依存、相互制約的過(guò)程，光反應(yīng)產(chǎn)生能量，才能驅(qū)動(dòng)暗反應(yīng)。有了光反應(yīng)，如何將其與暗反應(yīng)有效銜接，對(duì)于光合作用的順利進(jìn)行至關(guān)重要。

為此，研究團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌的細(xì)胞內(nèi)設(shè)置了一個(gè)能量感受器和能量執(zhí)行器，讓二者構(gòu)成一個(gè)基因回路。這好比一個(gè)“小程序”，感受器和執(zhí)行器均可根據(jù)接收到的信號(hào)作出相應(yīng)調(diào)整。

“將光反應(yīng)、暗反應(yīng)和‘小程序’組裝起來(lái)，就形成了一個(gè)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(chǎn)簡(jiǎn)單的產(chǎn)品；加了“小程序”，則可通過(guò)對(duì)其編程生產(chǎn)不同產(chǎn)品。

目前，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人工光合系統(tǒng)已經(jīng)能夠被編程為3種模式，可以生產(chǎn)丙酮、蘋(píng)果酸和α-酮戊二酸3種產(chǎn)品。

那么，這套人工光合系統(tǒng)離實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？對(duì)此，劉高強(qiáng)表示，目前系統(tǒng)仍處于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)階段，其系統(tǒng)元件配置、穩(wěn)定性和產(chǎn)品生產(chǎn)工藝等還需要不斷優(yōu)化?！拔覀?cè)诶萌斯す夂舷到y(tǒng)讓非光合微生物進(jìn)行光合作用方面已經(jīng)邁出了很重要的一步。這給了我們很多啟示，未來(lái)將嘗試在酵母甚至大型藥用菌等微生物中構(gòu)建人工光合系統(tǒng)，讓可大規(guī)模生產(chǎn)的微生物將光能轉(zhuǎn)化為代謝能，發(fā)揮更大的生物制造效益?！?/p>