在活細(xì)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(shí)現(xiàn)這三個(gè)循環(huán)模塊中的每一個(gè)，這代表了在活細(xì)胞環(huán)境下實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)這些新的自然途徑仍然是一個(gè)根本性的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，Tobias Erb小組的研究人員設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)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(gè)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(jìn)行設(shè)計(jì):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(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了這些強(qiáng)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(jìn)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(gè)循環(huán)中將兩個(gè)CO2分子轉(zhuǎn)化為一個(gè)乙酰輔酶A。乙酰輔酶A是幾乎所有細(xì)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(rèn)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(xì)胞。為此，研究人員將THETA循環(huán)分為三個(gè)模塊，每個(gè)模塊都成功地在大腸桿菌中實(shí)施。通過生長耦合選擇和/或同位素標(biāo)記驗(yàn)證了這些模塊的功能。

“這個(gè)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(xì)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(shí)現(xiàn)開發(fā)模塊化方法的機(jī)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(gè)獨(dú)立模塊的功能。然而，我們還沒有成功地關(guān)閉整個(gè)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(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗?7個(gè)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(gè)反應(yīng)。然而，在體內(nèi)展示整個(gè)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(gè)多功能平臺，通過擴(kuò)展其輸出分子乙酰輔酶A，直接從二氧化碳中生產(chǎn)有價(jià)值的化合物?！?/p>

Tobias Erb補(bǔ)充說:“將THETA循環(huán)的一部分引入活細(xì)胞是合成生物學(xué)的重要原理證明。這種在大腸桿菌中實(shí)現(xiàn)的模塊化循環(huán)為在細(xì)胞工廠中實(shí)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(xì)胞代謝，為細(xì)胞創(chuàng)造一個(gè)合成的自養(yǎng)操作系統(tǒng)。

來源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

正丁醇（也被稱為1-丁醇，化學(xué)式：C4H10O）是一種有機(jī)化合物，屬于醇類化合物。以下是正丁醇的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 溶解性：正丁醇是一種具有一定溶解性的無色液體。它可以在水、乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑中溶解。

2. 弱酸性：正丁醇具有弱酸性，可以和堿反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽。

3. 氧化性：正丁醇可以被氧化劑氧化為丁酸。

4. 反應(yīng)性：正丁醇是一個(gè)親核試劑，在很多有機(jī)合成反應(yīng)中起到重要作用。它可以發(fā)生以下反應(yīng)：

   - 酸堿中和反應(yīng)：與堿反應(yīng)生成相應(yīng)的鹽和水。

   - 脫水反應(yīng)：可以和濃硫酸等發(fā)生脫水反應(yīng)，生成烯烴。

   - 氧化反應(yīng)：能夠被氧化劑氧化為相應(yīng)的醛和酸。

5. 氫鍵：正丁醇分子中含有羥基，因此能夠在適當(dāng)條件下形成氫鍵。

需要注意的是，正丁醇是易燃液體，在處理和使用時(shí)應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。