在氮净化中起主要作用的代谢途径

生物在进化过程中形成适应外界营养环境变化的代谢系统和调节机制。比如陆生动物进化出了著名的鸟氨酸-尿素循环，用于处理食物中蛋白质分解代谢产生的大量氨，而细菌和植物缺乏这种代谢途径。蓝藻(又称蓝细菌)是地球上最早的光合自养生物。它们以水为电子供体，阳光可以将CO2还原成有机碳化合物并释放出游离氧，这对地球生物圈的形成和发展起着关键作用。蓝藻广泛分布于自然界，包括各种水体和土壤，对生物地球化学循环做出非常重要的贡献。同时，蓝藻在生物技术应用方面也有很大潜力。尽管蓝藻在进化、生态、环境和生物技术中发挥着重要作用，但其适应环境变化的细胞代谢动态调控机制尚不清楚。

中科院合成生物学重点实验室陈阳研究组利用前期发展的动态代谢通量组和代谢组学分析技术，研究了蓝藻对外来氮源扰动的代谢响应，发现细胞内鸟氨酸和精氨酸之间存在活跃的代谢循环。而且发现这个循环中包含了一个新的生化反应，即精氨酸生物水解酶催化精氨酸水解生成鸟氨酸和氨。研究表明，鸟氨酸-氨循环在氮源充足的情况下以最大速率促进氮的同化和储存，而该循环使细胞内储存的氮在氮源不足的情况下迅速分解，从而满足细胞的生长需要。因此，鸟氨酸-氨循环具有储氮和活化的功能，对蓝藻适应环境氮源的缺乏和变化极其重要。与动物体内的鸟氨酸-尿素循环相比，鸟氨酸-氨循环更为古老，它的存在提示不同物种可能进化出各种鸟氨酸循环以适应其生存环境。鸟氨酸-氨循环广泛存在于蓝藻中，包括许多海洋固氮蓝藻，因此该代谢途径对海洋固氮乃至地球氮循环有重要贡献。专家评论说，这项工作将引起化学生物学和微生物学领域研究人员的广泛关注，并将对海洋学和农业研究产生影响。同时在代谢工程和合成生物学领域将有广阔的应用前景。