活细胞中合成二氧化碳固定的第一步
合成生物学提供了构建捕获和转化二氧化碳(CO 2)的生化途径的机会。马克斯普朗克陆地微生物研究所的研究人员开发了一种合成生化循环，可直接将 CO 2转化为中心构件乙酰辅酶A。研究人员能够在大肠杆菌中实现三个循环模块中的每一个，这代表了在活细胞环境中实现合成 CO 2固定途径的重要一步。
开发捕获和转化CO 2的新方法是应对气候紧急情况的关键。合成生物学开辟了设计新的自然CO 2固定途径的途径，这些途径比自然开发的途径更有效地捕获CO 2 。然而，在不同的体外和体内系统中实现这些新的自然途径仍然是一个根本性的挑战。现在，Tobias Erb 小组的研究人员设计并构建了一种新的合成CO 2固定途径，即所谓的THETA 循环。它包含几种作为中间体的中心代谢物，并以中心结构单元乙酰辅酶A作为其输出。这一特性使其能够被分成模块并整合到大肠杆菌的中央代谢中。
整个THETA循环涉及17种生物催化剂，并围绕迄今为止已知的两种最快的CO 2固定酶而设计：巴豆酰辅酶A羧化酶/还原酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。研究人员在细菌中发现了这些强大的生物催化剂。尽管每种羧化酶捕获CO 2 的速度比RubisCO(叶绿体中的CO 2固定酶)快10倍以上，但进化本身并没有将这些具有能力的酶聚集在一起进行自然光合作用。
THETA循环在一个循环中将两个CO 2分子转化为一个乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是几乎所有细胞代谢中的中心代谢物，并且是多种重要生物分子(包括生物燃料、生物材料和药物)的基础材料，使其成为生物技术应用中备受关注的化合物。在试管中构建循环后，研究人员可以确认其功能。随后训练开始：通过多轮实验的理性和机器学习引导的优化，团队将乙酰辅酶A的产量提高了100倍。为了测试其在体内的可行性，融入到活细胞中应该逐步进行。为此，研究人员将THETA循环分为三个模块，每个模块都成功地应用到了大肠杆菌中。这些模块的功能通过生长耦合选择和/或同位素标记进行了验证。
“这个循环的特别之处在于它包含几种中间体，这些中间体充当细菌代谢中的中心代谢物。这种重叠提供了开发模块化方法来实施的机会。” 该研究的主要作者 Shanshan Luo 解释道：“我们能够演示大肠杆菌中三个单独模块的功能。但是，我们尚未成功地关闭整个循环，以便大肠杆菌可以完全在 CO2 的作用下生长。” 2，”她补充道。关闭 THETA 循环仍然是一个重大挑战，因为所有 17 个反应都需要与大肠杆菌的自然代谢同步，这自然涉及数百到数千个反应。然而，研究人员强调，在体内展示整个循环并不是唯一的目标。“我们的循环有潜力成为一个多功能平台，通过扩展其输出分子乙酰辅酶A，直接从 CO 2生产有价值的化合物。” 罗珊珊说道。
“将部分 THETA 循环引入活细胞是合成生物学的重要原理验证”，Tobias Erb 补充道。“在大肠杆菌中这种循环的模块化实施为在细胞工厂中实现高度复杂、正交的新自然 CO 2固定途径铺平了道路。我们正在学习完全重新编程细胞新陈代谢，为细胞创建一个合成的自养操作系统。”
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