我室王忆平教授团队在固氮合成生物学方向的研究成果受到国际同行高度评价

将固氮酶系统直接导入植物细胞内,使主要农作物具有自主固氮功能的氮素属性,从而摆脱农业生产对工业氮肥这一高耗能高污染化工产品的依赖,一直是生物固氮研究领域实现农业生产“绿色革命”的梦想。目前已知的固氮酶系统由于它们的活性中心分别由不同金属原子簇组成,分别被命名为钼铁、钒铁和铁铁三种不同的固氮酶系统,其中以钼铁固氮酶系统活性最高,研究也最为深入。然而钼铁固氮系统往往需要十几个甚至几十个基因参与,并且这些基因之间往往需要协同表达才能实现其功能,这些因素极大的限制了将钼铁固氮酶系统导入植物细胞的可能性。因此如何通过合成生物学方法实现固氮酶系统的简化是将固氮酶系统导入植物细胞,实现植物自主固氮过程中需要解决的难题之一。

针对这一难题,2018年7月31日本室王忆平教授团队在美国科学院院刊(PNAS)在线发表了题为“Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology”的学术论文(Yang and Xie et al., 2018, PNAS),文中通过引入了类似数学中“合并同类项”的思想理念,同时借鉴了自然界中植物病毒中频频出现Polyprotein的策略(即共转录共翻译,然后利用特异性蛋白酶剪切成各个蛋白肽段进行组装),利用合成生物学手段成功的将Polyprotein的策略应用到了高度复杂的钼铁固氮系统的简化过程中。通过对该系统多层次有效的定量评估,漫长而复杂的多轮排列组合,成功地将原本以6个操纵子(共转录)为单元的含有18个基因的产酸克雷伯菌钼铁固氮酶系统成功的转化为5个编码Polyprotein的巨型基因,并证明其高活性可支持大肠杆菌以氮气作为唯一氮源生长!这一研究成果,使得新构建的固氮系统更符合未来向真核系统乃至农作物转化的需求,使人类进一步看到了彻底摆脱工业氮肥的曙光。

附图:植物固氮酶工程研究展望(Burén et al., 2018, PNAS)

为此,美国科学院院刊(PNAS)于2018年8月17日以“Extreme bioengineering to meet the nitrogen challenge”为题在线发表评论文章,高度评价了王忆平教授团队所取得的成绩。认为这项技术将彻底改变学界将精细的生物固氮系统转移到异源宿主中的方法,在构建自主固氮植物的方向上做出了突破性的进展(见附图)。附评论原文:“This technology will revolutionize our attempts to transfer the elaborate nif machinery into heterologous hosts, providing researchers with a groundbreaking advance to help generate plants capable of self-fertilization”(Burén et al., 2018, PNAS)。