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人們熟知的“萬物生長靠太陽”現(xiàn)象，其基本原理是在高等植物、藻類和藍細菌這些生物中發(fā)生放氧型光合作用。這些生物通過光合作用固定CO2，把太陽能轉(zhuǎn)化為化學能儲存下來，同時將水分子裂解并釋放出氧氣，供生物呼吸。光合作用是地球上最重要的生物化學反應，為地球生物提供賴以生存的物質(zhì)基礎。因此，提高光合作用效率，對有效利用太陽能、促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、加速工業(yè)CO2減排和資源化利用等，都具有重要意義。
光合作用又是一個極其復雜的生化過程。根據(jù)是否需要光，光合作用被人為地分為光反應和暗反應。以往改造光合作用的研究，主要考慮如何提高光反應對光能的利用與轉(zhuǎn)化效率，或提高暗反應關鍵酶Rubisco固碳效率，很少考慮如何提高光反應和暗反應的偶聯(lián)效率。而在實際的生理過程中，光合作用的光反應和暗反應是密不可分的有機整體。光反應產(chǎn)生能量(ATP)和還原力(NADPH)，而暗反應需要消耗ATP和NADPH，才能實現(xiàn)對CO2的還原固定。
中國科學院微生物研究所李寅研究組針對光反應產(chǎn)生的ATP不能滿足暗反應固碳能量需求這一基本問題，根據(jù)光反應中ATP與NADPH偶聯(lián)產(chǎn)生的基本原理，從細胞全局出發(fā)，把光合作用的光反應和暗反應作為有機整體，以連接光合作用光反應和暗反應的NADPH為切入點，提出了一個導入NADPH消耗模塊，從而打破細胞固有的NADPH平衡，通過光反應與暗反應的有效耦聯(lián)來增強光反應的內(nèi)在驅(qū)動力、進而提高光合作用效率的新構想。
研究人員以光合放氧菌藍細菌為研究模型，通過引入NADPH依賴型的脫氫酶，創(chuàng)建了只消耗NADPH而不額外消耗ATP的異丙醇生物合成途徑（如圖）。一系列光合生理和生化分析表明，引入NADPH消耗途徑后，細胞生長明顯加快，光合作用效率提高約50%，同時具有更高的細胞活性。同時發(fā)現(xiàn)，改造后藍細菌的光飽和點提高一倍，表明其可以耐受更高光強，這對適應自然界中光強的劇烈變化具有重要意義。這一結果表明，還原力驅(qū)動的細胞全局代謝工程策略，比傳統(tǒng)單一改造光反應或暗反應，可以更有效地提高光合作用效率，這一策略對改造真核生物的光合作用也具有參考價值。
該工作已于8月4日在線發(fā)表在《代謝工程》（Metabolic Engineering）雜志上。研究得到國家自然科學基金和中科院重點部署項目“二氧化碳的人工生物轉(zhuǎn)化”資助。副研究員周杰和博士生張福良為論文的共同第一作者。 |
