中國科學家發現新陳代謝新途徑

新陳代謝是生命最基本的特徵。生物在長期的進化過程中，形成了相應的代謝系統及調控機制，來適應外界環境的變化，尤其是食物營養物質供應變化的需要。例如，陸生動物進化出著名的鳥氨酸-尿素循環，用於處理食物中蛋白質分解代謝所產生的大量氨，將氨轉化為尿素後排出體外。因此，鳥氨酸-尿素循環是細胞氮廢物排除的關鍵，是陸生動物高蛋白飲食必要的代謝途徑。然而，細菌和植物缺乏這一代謝途徑。

藍藻是地球上最早出現的光合自養生物，它們利用水作為電子供體，利用太陽光能將CO2還原成有機碳化合物，並釋放出自由氧，在地球生物圈形成和發展過程中起了關鍵作用。藍藻廣泛分布於自然界，包括各種水體和土壤中，對生物地球化學循環有非常重要的貢獻。同時藍藻在生物技術應用方面也極具潛力。

儘管藍藻在進化、生態、環境及生物技術等方面扮演著重要角色，人們對其代謝及調控機制仍然缺乏系統的認識。

4月9日，國際權威學術期刊《自然化學生物學》在線發表了中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所楊琛研究組題為「精氨酸雙水解酶參與藍細菌中的鳥氨酸-氨循環」的最新研究論文。該研究利用動態代謝流量組與代謝組分析技術首次發現了一條新型氮代謝途徑—鳥氨酸-氨循環，發現該循環包含一步新的生化反應，即精氨酸雙水解酶催化精氨酸水解生成鳥氨酸和氨。

研究表明在氮源充足條件下鳥氨酸-氨循環促使氮同化及存儲以最大速率進行，而在氮源匱乏時該循環使得細胞中的氮儲存迅速分解，從而滿足細胞的生長需要。因此，鳥氨酸-氨循環具有氮存儲和活化的功能，對於藍藻適應環境氮源缺乏和變化極其重要。 鳥氨酸-氨循環在藍藻中廣泛存在，包括許多海洋固氮藍藻，所以它對於海洋氮固定乃至地球的氮循環都具有非常重要的貢獻。

作為地球上最古老的居民，藍藻細胞內的鳥氨酸-氨循環比動物體內的鳥氨酸-尿素循環出現的更早。與哺乳動物不同，在藍藻的天然生存環境中氮源往往匱乏，使其處於氮飢餓狀態。因此，藍藻細胞內氮的「倉儲」與「周轉」對其適應生存環境極為重要，而鳥氨酸-氨循環是實現該「物流」的核心線路。

這一發現有助於合成生物學家設計和改造藍藻、實現CO2到生物燃料和化學品的直接轉化，同時為理解和提高農作物的氮素使用效率提供新的思路。

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