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(lán)細(xì)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(xué)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(xué)反應(yīng)，為地球生物提供賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，提高光合作用效率，對有效利用太陽能、促進(jìn)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(fù)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(yīng)和暗反應(yīng)。以往改造光合作用的研究，主要考慮如何提高光反應(yīng)對光能的利用與轉(zhuǎn)化效率，或提高暗反應(yīng)關(guān)鍵酶Rubisco固碳效率，很少考慮如何提高光反應(yīng)和暗反應(yīng)的偶聯(lián)效率。而在實(shí)際的生理過程中，光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)是密不可分的有機(jī)整體。光反應(yīng)產(chǎn)生能量(ATP)和還原力(NADPH)，而暗反應(yīng)需要消耗ATP和NADPH，才能實(shí)現(xiàn)對CO2的還原固定。
中國科學(xué)院微生物研究所李寅研究組針對光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP不能滿足暗反應(yīng)固碳能量需求這一基本問題，根據(jù)光反應(yīng)中ATP與NADPH偶聯(lián)產(chǎn)生的基本原理，從細(xì)胞全局出發(fā)，把光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)作為有機(jī)整體，以連接光合作用光反應(yīng)和暗反應(yīng)的NADPH為切入點(diǎn)，提出了一個導(dǎo)入NADPH消耗模塊，從而打破細(xì)胞固有的NADPH平衡，通過光反應(yīng)與暗反應(yīng)的有效耦聯(lián)來增強(qiáng)光反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動力、進(jìn)而提高光合作用效率的新構(gòu)想。
研究人員以光合放氧菌藍(lán)細(xì)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(xì)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(xì)胞活性。同時發(fā)現(xiàn)，改造后藍(lán)細(xì)菌的光飽和點(diǎn)提高一倍，表明其可以耐受更高光強(qiáng)，這對適應(yīng)自然界中光強(qiáng)的劇烈變化具有重要意義。這一結(jié)果表明，還原力驅(qū)動的細(xì)胞全局代謝工程策略，比傳統(tǒng)單一改造光反應(yīng)或暗反應(yīng)，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(xué)基金和中科院重點(diǎn)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。
在藍(lán)細(xì)菌Synechocystis 6803中引入NADPH消耗驅(qū)動光合固碳示意圖
