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来自能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家发现，以前只表明在光合生物中具有功能的代谢途径实际上是一条主要途径，能够有效地将二氧化碳转化为有机化合物。这一发现为蓝藻中碳利用的复杂代谢网络注入了新的亮点，同时为从二氧化碳或植物生物质中生产化学品的更好方式打开了大门，而不是从石油中获取化学品。
这一发现由NREL高级科学家Jianping Yu和NREL主任的博士后研究员Wei Xiong领导。该研究结果发表在Nature Plants的在线版上。
最近的NREL发现紧随最近的工作，涉及蓝藻，通常被称为蓝绿藻。NREL科学家设计了一种蓝藻，Synechocystis，它不能将碳作为糖原储存到可以代谢木糖(纤维素生物质的主要糖成分)的菌株中，从而将木糖和二氧化碳转化为丙酮酸和2-氧戊二酸，有机化学物质可以用于生产各种生物基化学品和生物燃料。在多种生长条件下测试这种突变株时，科学家们意外地发现它排出了大量的乙酸。
“这是一个很大的惊喜，”余说。
乙酸是一种大量生产的化学品，用途广泛。化学工业每年生产超过1200万吨乙酸，主要来自甲醇，而甲醇主要来自天然气。从光合作用产生乙酸的潜力可能会减少国家对天然气的依赖。
虽然潜在的应用很有希望，但研究人员主要感兴趣的是他们无法解释已知途径中乙酸的产生。涉及丙酮酸脱氢酶的传统途径并不完全符合事实。他们知道可能会涉及一种叫做磷酸酮醇酶的酶，因为之前有人认为它在蓝细菌中有活性。
那是真正的侦探工作开始的时候。从先前研究的磷酸酮醇酶开始，研究人员能够将基因slr0453鉴定为集胞藻中磷酸酮醇酶的可能来源。研究人员正在调查他们的采石场。侦探工作的下一步是禁用基因，看看发生了什么。在Synechocystis的野生和突变菌株中使其失活减缓了阳光的生长 - 即，条件仅依赖于通过光合作用的CO 2同化 - 证明该基因在光合碳代谢中起作用。具有去除基因的菌株在木糖存在下不会在光中排泄乙酸。
关键是Synechocystis在加糖时能够在黑暗中产生乙酸，但是具有残基的菌株却不能。研究人员发现，磷酸酮醇酶途径是黑暗中乙酸产生的唯一原因，当供应木糖时，它也对光中的碳代谢有显着贡献。“从基础科学的角度来看，这是一条在调节光合作用能量转换方面具有潜在重要作用的主要途径，”余说。“我们并没有从假设开始积极参与碳代谢的假设开始;我们只是按照我们自己的发现进行了这一发现。”
熊然后通过使用碳同位素来追踪木糖和二氧化碳如何转化为其他有机化学物质来量化新发现的途径的贡献。结果表明，磷酸酮醇酶途径实际上占据了中心碳代谢的显着比例。“事实证明，磷酸酮醇酶途径是我们实验条件下的主要途径，”Yu说。“因为它避免了与传统途径相关的碳损失，使用这种途径可以更有效地生产各种各样的生物制品和生物燃料。”“这一发现有两个重要方面，”余说。“一个是它是蓝藻中重要的天然代谢途径，其作用以前没有研究过。其次是这种途径比传统途径更有效，因此可以利用它来提高光合生产力。”
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