古老的蓝藻吸收起氮元素来，就好像巴尔扎克小说《欧也妮·葛朗台》里的守财奴老葛朗台看到金币那样贪婪。 它究竟如何实现高效氮存储的？科学家一直无法窥得其中奥秘。 今天，英国《自然-化学生物学》发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所杨琛研究组的最新发现，他们发现了蓝藻中进行氮代谢的途径，解开了这个困扰生命科学家几十年的谜团。 新陈代谢是生命最基本的特征，碳、氢、氧、氮、硫、磷是地球生命中含量最高的六种元素，因此氮元素的代谢是地球生命圈中十分重要的一环。蓝藻是地球上最早出现的通过光合作用养活自己的生物，广泛分布于自然界，包括各种水体和土壤中，对生物地球化学循环有非常重要的贡献。
蓝藻在生物地球化学中具有重要作用。（植生生态所供图） 尽管蓝藻在进化、生态、环境及生物技术等方面扮演着重要角色，但科学家对其代谢及调控机制仍然缺乏系统的认识。比如，由于蓝藻经常处于氮源缺乏的环境中，因此一旦遇到可以利用的氮，它就会拼命“吃”进并储存到体内。可究竟它是如何做到的？科学家一直没找到有效的观测手段。而中科院合成生物学重点实验室副主任杨琛利用一种新的实验技术——代谢流量组分析技术，发现了蓝藻中氮代谢的重要途径——鸟氨酸-氨循环。 “这种技术可以看清细胞中各种反应的速率。”杨琛介绍，他们本来想看看蓝藻如何适应外界环境，就先将蓝藻置于氮源匮乏的环境中，再将其移到氮源充足的地方，“这时我们观察到细胞中鸟氨酸-氨的代谢通路变得十分活跃，由此发现了蓝藻中这条从未一见的氮代谢途径。” 鸟氨酸是生命体氮代谢中的枢纽。过去，科学家已经发现，在动物体内，鸟氨酸会帮助蛋白质分解产生的氨变成尿素，使这种氮代谢的废物可以随尿液、汗液排出体外。而在植物体内，它居然仍然在氮代谢中起着关键作用——它可以一把抓住营养物质中的两个氮原子，一部分变成精氨酸将氮储存起来，另一部分又在双水解酶的作用下，重新变回鸟氨酸，继续“吃”氮的努力。
科学家在蓝藻中新发现的氮代谢途径示意图。（植生生态所供图） 杨琛说，蓝藻是一座十分具有潜力的细胞工厂，在二氧化碳固定、直接合成生物燃料及化学品等方面具有巨大潜力。了解清楚了它的重要代谢途径，合成生物学家就有可能对其代谢网络进行改造，使之更高效地为人类工作。同时，微生物与植物中氮代谢途径的发现，也可用来改造植物，比如利用这条途径来促进植物体内氮素的再利用，这样即使在氮肥缺乏的环境中，仍然可以获得较高的产量。 |
