美国研究团队开辟获得可持续能源和药物的新途径

据2024年7月16日的《自然•通讯》杂志报道，来自美国伊利诺伊大学香槟分校的美国研究团队通过定向内共生（directed endosymbiosis）将碳同化能力引入酵母中。该研究团队在酵母细胞内引入了能够进行光合作用，同时分泌糖的蓝藻内共生体，成功创造了在光合作用条件下（CO₂存在且没有外部碳源，如葡萄糖或甘油）能够生存的酵母/蓝藻嵌合体。这一进展为非石油能源生产和其他合成生物学应用开辟了新的途径，有望推动可持续能源和药物的发展。

一、研究背景

异养生物通常依赖外部有机碳源（如葡萄糖或甘油）来生存和生长，而自养生物则能够利用光合作用将CO₂转化为有机物，独立于外部碳源生存。为了将这一能力引入到异养生物中，科学家们通常需要进行复杂的代谢工程和实验室进化研究，以便将CO₂引入到这些生物的中心碳代谢途径中。

二、研究方法与创新

研究团队通过定向内共生的方法，将蓝藻内共生体引入到酵母细胞中，成功实现了酵母细胞的碳同化功能。蓝藻是一类能够通过光合作用将CO₂转化为有机物的自养生物，而酵母则是一种常见的异养生物。通过将蓝藻作为内共生体引入酵母细胞，研究人员成功地将酵母细胞转化为在光合作用条件下能够自养的生物。

这一研究的关键在于内共生体的选择与工程改造。研究人员选择了碳同化能力较强的蓝藻，并通过代谢工程改造其糖分泌途径，使其能够在酵母细胞中发挥作用。这样，蓝藻能够利用光能将CO₂转化为有机碳，并通过糖分泌途径为酵母细胞提供能量和碳源。

研究团队在实验中进一步证明，酵母/蓝藻嵌合体不仅能够在光合作用条件下存活，还能够合成天然产物。经过改造的酵母/蓝藻嵌合体成功地合成了柠檬烯，这为未来在工业规模上生产天然产物提供了新的可能性。通过进一步优化和改造，类似的系统可以被用来生产其他高附加值的天然化合物，如药物前体、香料和工业溶剂等。

三、研究意义与前景

该研究具有多方面的重要意义。首先，这项研究展示了一种全新的将异养生物转化为自养生物的方法，通过定向内共生，将自养生物的碳同化能力引入到异养生物中，从而实现了在光合作用条件下的自养生长。与传统的代谢工程方法相比，这一方法不仅简化了改造过程，还具有更高的可操作性和稳定性。

其次，该研究为合成生物学提供了新的工具和思路。通过引入蓝藻内共生体，研究人员成功地在酵母细胞中引入了新的功能性细胞器，展示了细胞器的进化适应性。未来，这一方法还可以进一步拓展，用于研究其他异养生物的自养化，以及开发新的合成生物学工具。

最后，该研究对可持续生物技术的发展具有重要的启示。在当前全球气候变化的背景下，如何有效地利用和转化CO₂是一个亟待解决的问题。通过将CO₂转化为有机化合物，这项研究为开发新的可持续生物技术提供了可能性。