近日，国际学术期刊ACS Synthetic Biology（《ACS合成生物学》）以封面文章在线发表了中国科学院武汉病毒研究所/生物安全大科学研究中心门冬课题组与中国科学院生物物理研究所张先恩课题组联合团队的最新研究成果。论文题为“Auxiliary module promotes the synthesis of carboxysomes in E. coli to achieve high-efficiency CO2 assimilation”。该研究提出了一种辅助模块增强的羧化体大肠杆菌内重构策略，首次成功将海洋原绿球藻来源的羧化体在大肠杆菌内重构，重构的羧化体具有高效的二氧化碳同化能力。

地球碳循环中40%的碳吸收是通过蓝藻等自养型细菌中的羧化体（carboxysome，CB）进行的。羧化体是一种由蛋白质自组装形成的类细胞器，其具有二氧化碳浓缩机制，能够隔绝O2，同时富集CO2。通过这种机制可以提高羧化体腔内的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶周围CO2浓度，进而实现高效率CO2固定。通过合成生物学方法，将这种天然CO2同化体系用于规模化生产高附加值生化物质，具有重要的应用价值和科学意义，但存在较大的技术挑战。

该联合研究团队选择具有最简单基因簇的海洋原绿球藻 (prochlorococcus marinues MED4) 来源的α-羧化体（proCB），编码该羧化体功能/结构组分较少，壳体蛋白及组装辅助因子保守，有利于在大肠杆菌内异源表达。同时，引入多分子伴侣集合组成的辅助模块，改善异源合成功能性α-羧化体所需微环境.结果表明，最终异源合成的proCB形态完整、结构稳定；13C-同位素标记代谢分析证明了异源合成的proCB具有高效CO2固定能力。进一步发现异源重构的α-羧化体结构可将外源CO2转化为多种代谢中间产物（如乙酰辅酶a、苹果酸、延胡索酸和酪氨酸等）。该研究为α-羧化体的研究提供了一个工程化平台，同时也为非自养型细菌固定和同化二氧化碳提供了新的研究思路。

武汉病毒所博士生张玉威为论文第一作者，武汉病毒所门冬研究员和生物物理所张先恩研究员为论文共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金（91527302、21750003、31771098）、国家重点研发计划（2019YFA0904800）、中科院青促会基金（2014308）等项目资助。

文章链接：https://dx.doi.org/10.1021/acssynbio.0c00436

2021年4月ACS Synthetic Biology杂志封面