在活細胞中合成二氧化碳固定的第一步

馬克斯-普朗克陸地微生物研究所的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種合成的生化循環(huán)，可以直接將二氧化碳轉(zhuǎn)化為核心的乙酰輔酶A。研究人員能夠在大腸桿菌中實現(xiàn)這三個循環(huán)模塊中的每一個，這代表了在活細胞環(huán)境下實現(xiàn)合成二氧化碳固定途徑的重要一步。

開發(fā)捕獲和轉(zhuǎn)化二氧化碳的新方法是應(yīng)對氣候緊急情況的關(guān)鍵。合成生物學(xué)為設(shè)計新的自然二氧化碳固定途徑開辟了道路，這些途徑比自然發(fā)展的途徑更有效地捕獲二氧化碳。然而，在不同的體外和體內(nèi)系統(tǒng)中實現(xiàn)這些新的自然途徑仍然是一個根本性的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，Tobias Erb小組的研究人員設(shè)計并構(gòu)建了一種新的合成二氧化碳固定途徑，即所謂的THETA循環(huán)。它含有幾個中心代謝物作為中間產(chǎn)物，并以中心構(gòu)建塊乙酰輔酶A作為其輸出物。這一特點使其有可能被分成模塊并整合到大腸桿菌的中心代謝中。

整個THETA循環(huán)涉及17種生物催化劑，并圍繞迄今為止已知的兩種最快的二氧化碳固定酶進行設(shè)計:crotonyl-CoA羧化酶/還原酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。研究人員在細菌中發(fā)現(xiàn)了這些強大的生物催化劑。盡管每一種羧化酶捕獲二氧化碳的速度都比葉綠體中固定二氧化碳的酶RubisCO快10倍以上，但進化本身并沒有使這些有能力的酶在自然光合作用中結(jié)合在一起。

中央代謝物

THETA循環(huán)在一個循環(huán)中將兩個CO2分子轉(zhuǎn)化為一個乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是幾乎所有細胞代謝的中心代謝物，是生物燃料、生物材料和藥物等一系列重要生物分子的組成部分，使其成為生物技術(shù)應(yīng)用中非常感興趣的化合物。在試管中構(gòu)建循環(huán)后，研究人員可以確認其功能。為了測試其在體內(nèi)的可行性，應(yīng)逐步將其納入活細胞。為此，研究人員將THETA循環(huán)分為三個模塊，每個模塊都成功地在大腸桿菌中實施。通過生長耦合選擇和/或同位素標(biāo)記驗證了這些模塊的功能。

整個THETA循環(huán)涉及17種生物催化劑，并圍繞迄今為止已知的兩種最快的二氧化碳固定酶進行設(shè)計:crotonyl-CoA羧化酶/還原酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。研究人員在細菌中發(fā)現(xiàn)了這些強大的生物催化劑。盡管每一種羧化酶捕獲二氧化碳的速度都比葉綠體中固定二氧化碳的酶RubisCO快10倍以上，但進化本身并沒有使這些有能力的酶在自然光合作用中結(jié)合在一起。

中央代謝物

THETA循環(huán)在一個循環(huán)中將兩個CO2分子轉(zhuǎn)化為一個乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是幾乎所有細胞代謝的中心代謝物，是生物燃料、生物材料和藥物等一系列重要生物分子的組成部分，使其成為生物技術(shù)應(yīng)用中非常感興趣的化合物。在試管中構(gòu)建循環(huán)后，研究人員可以確認其功能。為了測試其在體內(nèi)的可行性，應(yīng)逐步將其納入活細胞。為此，研究人員將THETA循環(huán)分為三個模塊，每個模塊都成功地在大腸桿菌中實施。通過生長耦合選擇和/或同位素標(biāo)記驗證了這些模塊的功能。

“這個循環(huán)的特別之處在于它包含了幾種中間產(chǎn)物，這些中間產(chǎn)物在細菌的新陳代謝中起著中心代謝物的作用。這種重疊提供了為其實現(xiàn)開發(fā)模塊化方法的機會。該研究的主要作者Shanshan Luo解釋說?！拔覀兡軌蛘故敬竽c桿菌中三個獨立模塊的功能。然而，我們還沒有成功地關(guān)閉整個循環(huán)，使大腸桿菌可以完全與二氧化碳一起生長，關(guān)閉THETA循環(huán)仍然是一個重大挑戰(zhàn)，因為所有17個反應(yīng)都需要與大腸桿菌的自然代謝同步，這自然涉及數(shù)百到數(shù)千個反應(yīng)。然而，在體內(nèi)展示整個周期并不是唯一的目標(biāo)。羅珊珊說:“我們的循環(huán)有潛力成為一個多功能平臺，通過擴展其輸出分子乙酰輔酶A，直接從二氧化碳中生產(chǎn)有價值的化合物?！?/p>

Tobias Erb補充說:“將THETA循環(huán)的一部分引入活細胞是合成生物學(xué)的重要原理證明。這種在大腸桿菌中實現(xiàn)的模塊化循環(huán)為在細胞工廠中實現(xiàn)高度復(fù)雜、正交的新型自然二氧化碳固定途徑鋪平了道路。我們正在學(xué)習(xí)完全重新編程細胞代謝，為細胞創(chuàng)造一個合成的自養(yǎng)操作系統(tǒng)。

來源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

正丁醛（Chemical formula: C4H8O）是一種有機化合物，也被稱為丁醛或丁酸醛。以下是正丁醛的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 功能團：正丁醛分子中含有一個醛基（─CHO功能團），即碳氧雙鍵和一個氫原子。

2. 氧化性：正丁醛是一個容易被氧化的化合物，在空氣中可以被氧氣氧化成丁酸。

3. 溶解性：正丁醛具有一定的溶解性。它可以在水和許多有機溶劑中溶解，如乙醇、醚等。

4. 反應(yīng)性：正丁醛是一個反應(yīng)活潑的化合物，可以與多種化學(xué)物質(zhì)發(fā)生以下反應(yīng)：

   - 氧化反應(yīng)：能夠被氧化劑氧化為相應(yīng)的酸（如丁酸）。

   - 加成反應(yīng)：與親核試劑（如氨、氫氯化物）加成反應(yīng)，形成相應(yīng)的加成產(chǎn)物。

   - 導(dǎo)入反應(yīng)：與親電試劑（如在堿性條件下的醇或酰氯）反應(yīng)，發(fā)生導(dǎo)入反應(yīng)，形成醇或酯。

5. 異構(gòu)性：正丁醛存在兩種異構(gòu)體，即正丁醛和異丁醛（2-丁醛），它們的分子結(jié)構(gòu)不同。

需要注意的是，正丁醛是一種具有刺激性氣味的液體，在處理和使用時應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施。