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中科院微生物研究所新构想将光合作用效率提高约50%
梅西 2016-09-05
导语

中国科学院微生物研究所李寅研究组根据光反应中ATP是与NADPH偶联产生的基本原理,通过光反应与暗反应的有效耦联,来增强光反应的内在驱动力、进而提高光合作用效率的新构想。

人们熟知的“万物生长靠太阳”现象,其基本原理是通过在高等植物、藻类和蓝细菌这些生物中发生的放氧型光合作用。这些生物通过光合作用固定CO2,把太阳能转化为化学能储存下来,同时将水分子裂解并释放出氧气,供生物呼吸。光合作用是地球上最重要的生物化学反应,为地球生物提供赖以生存的物质基础。因此,提高光合作用效率,对有效利用太阳能、促进农业增产增收、加速工业CO2减排和资源化利用等,都具有重要意义。

光合作用又是一个极其复杂的生化过程。根据是否需要光,光合作用被人为地分为光反应和暗反应。以往改造光合作用的研究,主要考虑如何提高光反应对光能的利用与转化效率,或提高暗反应关键酶Rubisco固碳效率,很少考虑如何提高光反应和暗反应的偶联效率。而在实际的生理过程中,光合作用的光反应和暗反应是密不可分的有机整体。光反应产生能量(ATP)和还原力(NADPH),而暗反应需要消耗ATP和NADPH,才能实现对CO2的还原固定。

中国科学院微生物研究所李寅研究组针对光反应产生的ATP不能满足暗反应固碳能量需求这一基本问题,根据光反应中ATP是与NADPH偶联产生的基本原理,从细胞全局出发,把光合作用的光反应和暗反应作为有机整体,以连接光合作用光反应和暗反应的NADPH为切入点,提出了一个导入NADPH消耗模块,从而打破细胞固有的NADPH平衡,通过光反应与暗反应的有效耦联,来增强光反应的内在驱动力、进而提高光合作用效率的新构想。该研究工作在线发表在Metabolic Engineering杂志上。

图1:在蓝细菌Synechocystis6803中引入NADPH消耗驱动光合固碳示意图

研究人员以光合放氧菌蓝细菌为研究模型,通过引入NADPH依赖型的脱氢酶,创建了只消耗NADPH而不额外消耗ATP的异丙醇生物合成途径(图1)。一系列光合生理和生化分析表明,引入NADPH消耗途径后,细胞生长明显加快,光合作用效率提高约50%,同时具有更高的细胞活性。

同时发现,改造后蓝细菌的光饱和点提高一倍,表明其可以耐受更高光强,这对适应自然界中光强的剧烈变化具有重要意义。这一结果表明,还原力驱动的细胞全局代谢工程策略,比传统单一改造光反应或暗反应,可以更有效地提高光合作用效率,这一策略对改造真核生物的光合作用也具有参考价值。

文章链接:

Jie Zhou, et al, "Introducing extra NADPH consumption ability significantly increases the photosynthetic efficiency and biomass production of cyanobacteria,Metabolic EngineeringVolume 38, November 2016, Pages 217–227

李寅研究员简介:

中国科学院微生物研究所研究员,博导,Email:yli@im.ac.cn

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研究方向:工业微生物分子生理学和系统生物技术,主要研究内容包括:

1、分子生理学和代谢工程。以乳酸菌及嗜酸、嗜碱、耐溶剂微生物为模型,利用基因组学和功能基因组学技术进行分子生理学研究,理解这些微生物过量合成大宗化学品的分子基础和调控机制,并在此基础上设计新的代谢工程策略,对微生物进行系统生物技术改造,实现大宗化学品的经济、绿色生产。

2、支撑系统生物技术的方法学。发展重要生物基化学品产生菌的高通量筛选方法,新型原核微生物遗传操作系统和基因组规模突变技术,不同水平(DNA、RNA、蛋白质、代谢物、代谢通量)组学数据的整合方法学,以及基因组规模代谢模型的构建及生物学功能预测方法。

(本文信息来源:中科院微生物研究所,由e科网整理编辑)

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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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