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   古菌是與細菌和真核生物并列的第三種生命形式，可生活于熱泉、鹽湖、冰川、深海熱溢口及深部地下等各種極端自然環(huán)境，是地球生命極限紀(jì)錄的主要保持者。這一奇特的生命形式，為探索和利用生命的極限能力及其特殊的代謝功能提供了巨大的可能性。中國科學(xué)院微生物研究所向華研究組致力于極端嗜鹽古菌遺傳與生理代謝機制的研究，近年來在嗜鹽古菌合成生物可降解塑料PHBV研究方面取得系統(tǒng)了一系列重要突破。

   2013年4月，美國Appl Environ Microbiol雜志第9期以Spotlight亮點文章（Articles of Significant Interest）形式，重點推薦并報道了向華研究組近期發(fā)現(xiàn)極端嗜鹽古菌可固定二氧化碳進行生物可降解塑料合成并對其合成途徑進行解析的工作，指出該工作不僅為古菌生物學(xué)及高鹽環(huán)境碳循環(huán)提供了新的見解，還為生物可降解塑料的代謝工程優(yōu)化提供了新的策略（Spotlight推介語：This work has shed light on archaeal biology and carbon cycling in hypersaline ecosystems and may also provide novel strategies for PHBV engineering with controllable monomer composition）。

   生物可降解塑料“聚羥基脂肪酸酯（PHA）”是多種細菌和某些嗜鹽古菌在非平衡的營養(yǎng)條件下產(chǎn)生的一類胞內(nèi)聚合物。它們具有生物可降解性及組織相容性等特色，不僅在日常生活中可作為傳統(tǒng)塑料的替代品以解決“白色污染”等環(huán)境問題，還在組織工程等高附加值領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。其中PHB和PHBV是兩種最為常見的PHA類型，但PHBV比PHB具有更好的材料性能。與細菌不同，多數(shù)極端嗜鹽古菌在不添加3HV相關(guān)前體的培養(yǎng)條件下，能夠利用廉價非相關(guān)碳源合成PHBV，而絕大多數(shù)細菌沒有這一能力。因此，通過進一步遺傳、代謝及發(fā)酵工程優(yōu)化，嗜鹽古菌有望成為生產(chǎn)PHBV最價廉物美的細胞工廠。

   但是，直到2005年向華研究組開始嗜鹽古菌PHA代謝研究之前，國際上對嗜鹽古菌合成PHA的關(guān)鍵基因及關(guān)鍵途徑還一無所知。為解析嗜鹽古菌合成PHBV的機制，挖掘提升其合成PHBV能力，并探討嗜鹽古菌碳代謝碳貯存的特殊途徑及其生理生態(tài)學(xué)意義，向華研究組對嗜鹽古菌PHA合成從基因組到代謝組、從關(guān)鍵基因到代謝途徑進行了系統(tǒng)研究。該研究組相繼完成了兩株可利用非相關(guān)碳源積累PHBV的嗜鹽古菌--地中海富鹽菌（Haloferax mediterranei）和西班牙鹽盒菌（Haloarcula hispanica）的全基因組測序工作（J Bacteriol. 2011, 193:6086； J Bacteriol. 2012, 194:4463），首次報道并系統(tǒng)研究了極端嗜鹽古菌獨特的PHA合酶（Appl Environ Microbiol. 2007, 73:6058； J Bacteriol. 2008, 190:4173；Appl Environ Microbiol. 2010, 76:7811）；多個負責(zé)前體供應(yīng)的關(guān)鍵酶如PhaA和PhaB，以及控制PHA顆粒結(jié)構(gòu)的PhaP等 （Appl Environ Microbiol. 2009, 75:6168； Appl Environ Microbiol. 2012, 78:1946等）。進而在組學(xué)水平探討了嗜鹽古菌PHA合成與中心代謝及能量代謝關(guān)系（J Proteome Res. 2013, 12:1300），并通過改變嗜鹽古菌碳代謝流，提高了其PHBV產(chǎn)量（Appl Microbiol Biotechnol. 2013, 97:3027-36）。

   向華研究組近期在Appl Environ Microbiol. 2013,79(9): 2922-31發(fā)表的最新工作，則解決了長期以來讓人困惑的一個PHBV合成途徑的關(guān)鍵問題：即為什么大多數(shù)細菌利用葡萄糖只能合成PHB，而嗜鹽古菌卻能合成3HV含量較高的材料性能更好的PHBV。該研究組綜合利用組學(xué)及生物信息學(xué)分析，結(jié)合分子生物學(xué)技術(shù)、途徑中間物添加、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)等，發(fā)現(xiàn)地中海富鹽菌存在至少4條提供丙酰-CoA的途徑，包括1條為同化乙酰-CoA和CO2的3-羥基丙酸途徑，該途徑為其3HV提供了約1/3的碳流量。而丙酰-CoA與乙酰-CoA在PhaA和PhaB等催化下即可合成3HV-CoA而為PHBV提供3HV單體。這是首次報道CO2直接固定進入PHBV進行貯存的新途徑，具有重要的生理生態(tài)學(xué)意義及生物工程開發(fā)價值。

   本論文第一作者為韓靜博士和博士研究生侯靖。該研究得到國家863項目、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院重要方向項目的資助。