團隊基于構(gòu)建的0D/2D無機異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料，成功孕育出了偏振發(fā)光特性，并展示了發(fā)光-調(diào)光-探測于一體的多功能光學(xué)元型器件近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院碳中和所丁寶福團隊在Light: science & application上，以A multifunctional optoelectronic device based on 2D material with wide bandgap為題撰文，報道了首個0D/2D偏振發(fā)光異質(zhì)結(jié)，為偏振發(fā)光家族增添了新成員。該工作將寬帶隙二維材料的優(yōu)異調(diào)光特性和量子點的高效發(fā)光特性進行“聯(lián)姻”，基于構(gòu)建的0D/2D無機異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料，成功孕育出了偏振發(fā)光特性，并展示了發(fā)光-調(diào)光-探測于一體的多功能光學(xué)元型器件。熒光偏振在科學(xué)和工程領(lǐng)域有多種應(yīng)用，包括3D顯示、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、光學(xué)生物傳感器和材料結(jié)構(gòu)分析。開發(fā)高效穩(wěn)定的偏振熒光材料具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值。量子點由幾百個甚至一千個原子組成，作為新晉的諾貝爾獎級材料，重新點燃了大眾的科學(xué)興趣。零維量子點由于其納米尺度的量子約束效應(yīng)，具有非常高的熒光量子效率、顏色純度和顏色可調(diào)性。然而，傳統(tǒng)的量子點盡管具有顯著的熒光強度，但其典型特征是幾何和光學(xué)各向同性，往往具有非偏振光發(fā)射，在一定程度上限制了熒光量子點在偏振光領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，基于量子點材料系統(tǒng)實現(xiàn)高效和偏振發(fā)光仍然是發(fā)光材料發(fā)展的關(guān)鍵前沿和挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究所的丁寶福、成會明和王鋒利用“維度聯(lián)姻”的概念將藍色無機碳點耦合到2D納米片上，創(chuàng)造了一個全無機的0D碳點/2D納米片異質(zhì)結(jié)發(fā)光系統(tǒng)(圖1 a-c)。這一成就實現(xiàn)了一種結(jié)合高發(fā)光效率和偏振特性的藍色發(fā)光材料的開發(fā)，為擴大偏振發(fā)光材料家族提供了一種新的方法。構(gòu)建的0D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過化學(xué)吸附誘導(dǎo)Ti-O-C鍵的形成，有效地錨定了0D碳點。通過將零維發(fā)光材料缺乏各向異性的高發(fā)光效率與二維材料強大的光偏振調(diào)制能力相結(jié)合，使兩種低維材料的光學(xué)特性互補，從而實現(xiàn)碳點的偏振發(fā)光。此外，利用異質(zhì)結(jié)的二向色吸收，實現(xiàn)了360-385 nm范圍內(nèi)的紫外光檢測。該方式首次集成偏振光發(fā)射，紫外光檢測和可見光調(diào)制的多功能光電器件的構(gòu)建。本工作首次引入了全無機異質(zhì)結(jié)構(gòu)偏振發(fā)光納米復(fù)合材料的概念，實現(xiàn)了偏振發(fā)光的突破。基于量子點材料系統(tǒng)實現(xiàn)高效偏振發(fā)光的挑戰(zhàn)已經(jīng)被巧妙地克服，擴大了偏振發(fā)光材料的家族。此外，集成光發(fā)射、調(diào)制和檢測的多功能器件的構(gòu)建為低能耗、智能或集成光學(xué)器件的發(fā)展引入了新思路。這些研究結(jié)果有望拓寬包括碳點在內(nèi)的其他0D量子點的材料特性及其衍生的光學(xué)應(yīng)用。這將為其他類型異質(zhì)結(jié)發(fā)光材料的開發(fā)提供新的視角和方法。在未來，這些材料有望在常見的異質(zhì)結(jié)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，包括光催化、生物醫(yī)學(xué)極化成像和光通信。深圳先進院博士后許洪瑋為本文第一作者，深圳先進院副研究員丁寶福、成會明院士和王鋒助理研究員為文章共同通訊作者。另外深圳理工大學(xué)（籌）研究生劉經(jīng)煒、深圳先進院研究員唐永炳團隊、博士后魏勝、龔芮、羅杰，以及華南師范大學(xué)陳心滿教授研究團隊等也對該工作做出重要貢獻。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、廣東省創(chuàng)業(yè)科研團隊計劃項目、廣東省科技規(guī)劃項目、深圳市基礎(chǔ)研究項目的支持。感謝華南師范大學(xué)陳心滿教授團隊和深圳先進院唐永炳研究員團隊對數(shù)據(jù)收集、分析中的支持與幫助。圖1 a-c分別是0D/2D納米復(fù)合材料的合成與構(gòu)建; d-f 分別是原器件結(jié)構(gòu)示意圖與發(fā)光調(diào)光、光探測性質(zhì)。文章鏈接
近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室徐向榮團隊在河口食物網(wǎng)抗生素結(jié)合態(tài)代謝物的生物富集機制取得了最新研究進展。相關(guān)研究成果“New insight into the bioaccumulation and trophic transfer of free and conjugated antibiotics in an estuarine food web based on multimedia fate and model simulation”發(fā)表在Journal of Hazardous Materials上。碩士吳念念為論文第一作者，研究員徐向榮、副研究員劉珊為共同通訊作者。抗生素作為一類抗菌性藥物廣泛用于治療人類和動物疾病，在畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中用于提高養(yǎng)殖動物的生長速度。由于進入人和動物體內(nèi)的抗生素不能被生物體完全吸收,大部分以原藥或代謝物的形式經(jīng)由尿液和糞便排出體外進入環(huán)境中，因此這類藥物在環(huán)境中頻繁檢出。研究表明環(huán)境濃度的抗生素不僅會嚴重影響水生生物的生理平衡、繁殖力、生長發(fā)育和腸道微生物功能，還會引發(fā)高水平抗生素耐藥性的傳播，最終通過食物鏈威脅人類健康。已有研究主要集中在自由態(tài)抗生素在食物網(wǎng)中的生物富集和傳遞規(guī)律。除了暴露環(huán)境、理化參數(shù)和食物來源外，生物轉(zhuǎn)化也是食物網(wǎng)中抗生素生物富集和傳遞的關(guān)鍵驅(qū)動因素。抗生素進入生物體后，可通過 相和 相代謝生成自由態(tài)或葡萄糖醛酸和硫酸鹽結(jié)合態(tài)的代謝物。需要指出的是，微生物可將抗生素結(jié)合態(tài)代謝物重新轉(zhuǎn)化為母體化合物，這表明結(jié)合態(tài)抗生素可能是環(huán)境抗生素的重要來源。因此，系統(tǒng)研究水生生物體中不同形態(tài)抗生素的生物富集特征和食物網(wǎng)傳遞規(guī)律，有助于我們更加準確評估抗生素帶來的健康和生態(tài)風(fēng)險。本研究首次運用酶解和非酶解提取方法，定量分析生物樣品中不同形態(tài)抗生素的組成和濃度，探討河口食物網(wǎng)中不同形態(tài)抗生素的生物富集特征和傳遞規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)抗生素在不同環(huán)境介質(zhì)和生物體中普遍存在。除磺胺類和四環(huán)素外，大部分抗生素在不同水層中的占比相當，而喹諾酮類在沉積物中占主導(dǎo)地位。抗生素的分子量和疏水性可以調(diào)控其在各種環(huán)境介質(zhì)中的分布。與非酶解樣品相比，生物樣品酶解后檢出的抗生素濃度和種類均有所增加。該結(jié)果表明生物體內(nèi)結(jié)合態(tài)抗生素不容忽視，僅定量分析自由態(tài)抗生素，將會嚴重低估抗生素在環(huán)境中的生態(tài)和健康風(fēng)險。酶解后，更多數(shù)量的生物樣品表現(xiàn)出對抗生素的生物富集潛力。在珠江口食物網(wǎng)中，自由態(tài)的脫水紅霉素以及結(jié)合態(tài)的三甲氧芐啶和環(huán)丙沙星呈現(xiàn)生物稀釋現(xiàn)象，而自由態(tài)的三甲氧芐啶和結(jié)合態(tài)的氧氟沙星則呈現(xiàn)生物放大趨勢。本研究首次證實了結(jié)合態(tài)抗生素在河口食物網(wǎng)的傳遞規(guī)律，加深了人們對不同形態(tài)抗生素在河口食物網(wǎng)中的生物富集特征和傳遞規(guī)律的認識，可為準確評估抗生素的生態(tài)和健康風(fēng)險提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。圖1 河口食物網(wǎng)環(huán)境中自由態(tài)和結(jié)合態(tài)抗生素的賦存特征該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、廣州市科技計劃項目、廣東省科技規(guī)劃項目的資助。相關(guān)論文信息：Nian-Nian Wu, Shan Liu*, Ru Xu, Qian-Yi Huang, Yun-Feng Pan, Heng-Xiang Li, Lang Lin, Rui Hou, Yuan-Yue Cheng, Xiang-Rong Xu*, New insight into the bioaccumulation and trophic transfer of free and conjugated antibiotics in an estuarine food web based on multimedia fate and model simulation, Journal of Hazardous Materials,465,2023,133088.文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.133088
研究發(fā)現(xiàn)僅需20%的天然序列即可支持菌株存活，約45%的天然序列足以恢復(fù)菌株的穩(wěn)健表型；并進而利用顯著區(qū)別于天然序列的合成型序列構(gòu)建了可替代內(nèi)源chrXIIL來支持酵母存活的功能性人工染色體。作為包含了物種所有遺傳信息的復(fù)雜序列，基因組存在普遍的冗余性。 除了維持生存所需的必需基因外，基因組內(nèi)還具有大量輔助型核心基因，使得生命系統(tǒng)在面對復(fù)雜環(huán)境變化或者部分基因功能喪失時依舊能維持正常運轉(zhuǎn)。合成基因組學(xué)作為新興的研究領(lǐng)域，以突破從頭設(shè)計與合成物種基因組的相關(guān)理論和技術(shù)為目標，致力于解答DNA序列與生物學(xué)功能的關(guān)聯(lián)，拓展人類對生命本質(zhì)的認知和理解，合成新型人造生命。目前，人們已經(jīng)實現(xiàn)了對多個病毒、細菌的基因組的設(shè)計與合成，并創(chuàng)建了僅含有473個基因的最小原核基因組。由于基因組大小和復(fù)雜度的增加，真核生物基因組的合成面臨更多挑戰(zhàn)。世界上首個真核生物基因組合成計劃—釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0）經(jīng)過17年的不懈努力，近期完成了所有酵母染色體的人工合成（見BioArt 十篇齊發(fā)！邁向人造真核全基因組，國際釀酒酵母基因組合成計劃（Sc2.0）宣布第二階段重大進展報道）。在Sc2.0中，通過對重復(fù)序列的刪減等預(yù)計可實現(xiàn)約8%的酵母基因組的精簡。為了進一步探索酵母基因組序列的必需性和可塑性，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院客座研究員戴俊彪聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)教授蔡毅之和紐約大學(xué)教授Jef Boeke發(fā)起了Sc3.0計劃1，旨在對酵母基因組進行深度精簡和重構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建首個最小酵母基因組，探究真核生命的核心元素。2023年11月30日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院戴俊彪團隊和趙喬團隊在Nature Communications在線發(fā)表題為Building a eukaryotic chromosome arm by de novo design and synthesis的研究論文，通過自下而上的設(shè)計策略指導(dǎo)釀酒酵母12號染色體左臂（chrXIIL）的深度精簡和優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)僅需20%的天然序列即可支持菌株存活，約45%的天然序列足以恢復(fù)菌株的穩(wěn)健表型；并進而利用顯著區(qū)別于天然序列的合成型序列構(gòu)建了可替代內(nèi)源chrXIIL來支持酵母存活的功能性人工染色體。這是戴俊彪團隊繼2021年利用Sc2.0合成染色體中引入的重排系統(tǒng)（SCRaMbLE）建立基于非理性隨機刪減的基因組精簡策略后2（見BioArt Genome Biology兩連發(fā) 戴俊彪組報道人工基因組高效簡化策略——Sc3.0正式拉開序幕報道），取得的Sc3.0計劃的又一重要進展。釀酒酵母中必需基因定義為敲除該基因后菌株不能在富營養(yǎng)培養(yǎng)基上存活。系統(tǒng)性基因敲除的研究表明約80%酵母基因都是非必需基因。釀酒酵母中存在復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，90%以上的非必需基因與其他基因存在遺傳相互作用。多基因的同時移除極易導(dǎo)致合成致死現(xiàn)象，使得對酵母染色體及基因組的理性精簡具有極大的挑戰(zhàn)性。為探究酵母基因組理性精簡的設(shè)計路線，在本研究中研究人員選擇了釀酒酵母chrXIIL為研究對象。chrXIIL全長150kb，編碼74個基因，包含10個必需基因。首先，研究人員設(shè)計了一個新型線性染色體骨架，便于后續(xù)多個版本人工染色體的高效組裝。為了測試排布方式對于左臂上必需基因功能的影響，研究人員構(gòu)建了不同版本的必需基因染色體。結(jié)果顯示，相較于轉(zhuǎn)錄方向，調(diào)控序列的改變對基因的轉(zhuǎn)錄水平具有更為顯著的影響，而構(gòu)建的必需基因染色體均可以很好地替代內(nèi)源必需基因的功能。隨后，研究人員通過同源重組介導(dǎo)的染色體截短技術(shù)在二倍體中實現(xiàn)了其中一條chrXIIL的整體刪除，發(fā)現(xiàn)僅必需基因染色體不足以替代左臂支持菌株生存，需要增加額外的關(guān)鍵基因。通過對11基因組合（10個必需基因+1個非必需基因）的系統(tǒng)性測試，研究人員未獲得可支持菌株存活的組合。但是，即使只需要回補2個基因，也存在超過1000種可能，亟需有效的理性原則來指導(dǎo)關(guān)鍵基因的篩選。為了量化遺傳相互作用數(shù)目，本研究將與特定基因存在遺傳相互作用的其他基因的數(shù)目（GGI）作為一個評估參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，必需基因相較于非必需基因存在更高的GGI, 且90%的高GGI基因（超過必需基因GGI的平均值）與其他基因存在合成致死的現(xiàn)象。基于“更高GGI的基因的功能更重要”的假設(shè)，研究人員以必需基因GGI平均值的兩倍作為閾值，篩選獲得兩個關(guān)鍵基因，并構(gòu)建了帶有12個基因的人工染色體，發(fā)現(xiàn)該染色體可成功替代內(nèi)源染色體臂來支持菌株存活，但存在嚴重的生長缺陷。為修復(fù)該菌株的生長缺陷，研究者通過選擇性回補額外13個非必需基因（其他高GGI基因和單敲除后存在生長缺陷的基因），構(gòu)建了表型顯著回復(fù)的新菌株，證實了優(yōu)化原則的有效性。隨后，研究人員利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)鑒定了另外2個重要基因，結(jié)果顯示回補27個基因的菌株的生長得到了顯著恢復(fù)，突出了組學(xué)數(shù)據(jù)對于精簡染色體的優(yōu)化迭代的指導(dǎo)意義。合成菌株的代謝組數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，合成菌株中多個代謝途徑受到了影響，涉及到多種氨基酸代謝通路，并且不同菌株差異性代謝產(chǎn)物主要集中在ABC轉(zhuǎn)運蛋白通路。這些結(jié)果提示合成菌株中氨基酸的跨膜運輸或者利用方面存在一定的功能缺陷，進而影響菌株生長，為解析菌株生長抑制機制提供了一種潛在方案。在實現(xiàn)左臂序列的精簡后，研究人員采用了大膽的策略來對序列進行最大程度的改編設(shè)計：1）一種氨基酸僅對應(yīng)一個優(yōu)化密碼子的策略來重構(gòu)基因編碼序列，2）使用完全不同于天然序列的合成型啟動子與終止子來改編調(diào)控序列。通過高效的組裝建庫和篩選方案，研究人員成功實現(xiàn)了24個基因的功能重構(gòu)，并利用重構(gòu)的轉(zhuǎn)錄單元，構(gòu)建了可單獨支持細胞存活的全人工序列染色體。綜上所述，該研究在染色體臂范圍內(nèi)探究了支持生存的最小基因集，不僅達到了前所未有的精簡程度，還提出了一種新型優(yōu)化策略，為酵母基因組的系統(tǒng)精簡提供了可能的解決方案。與此同時，該研究引入具有前瞻性的重編設(shè)計，并證實了利用顯著區(qū)別于天然序列的全人工染色體替代天然染色體臂功能的可行性。本研究結(jié)果揭示了酵母基因組序列令人驚嘆的冗余性和可塑性。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院副研究員姜雙英、廈門大學(xué)教授羅周卿為論文共同第一作者。戴俊彪研究員與趙喬研究員為論文通訊作者。感謝中山大學(xué)眼科中心副研究員肖傳樂為全長轉(zhuǎn)錄組分析提供的幫助。該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、中國科學(xué)院大科學(xué)計劃、深圳市科技計劃及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等多個項目的支持。文章鏈接參考文獻：1. Dai, J., Boeke, J.D., Luo, Z., Jiang, S. & Cai, Y. Sc3.0: revamping and minimizing the yeast genome. Genome Biology 21, 205 (2020).2. Luo, Z. et al. Compacting a synthetic yeast chromosome arm. Genome Biol 22, 5 (2021).
通過代謝重構(gòu)和葡萄糖抑制調(diào)控，使葡萄糖和蔗糖的產(chǎn)量達到每升數(shù)十克，這項研究有助于豐富基于可再生能源驅(qū)動的農(nóng)業(yè)新范式。12月5日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所(以下簡稱“合成所”)于濤課題組與Jay D. Keasling課題組合作，在Nature Catalysis發(fā)表了題為Metabolic engineering of carbohydrate-derived foods and chemicals production in yeast的研究成果。二氧化碳合成的低碳化合物C1-3作為發(fā)酵原料，為微生物可持續(xù)生產(chǎn)食品及化學(xué)品提供了一種具有無限潛能的方式。該研究利用合成生物學(xué)和代謝工程手段開發(fā)的酵母細胞平臺，能將低碳化合物例如甲醇、乙醇、異丙醇等，轉(zhuǎn)化為糖及糖衍生物，包括葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。通過代謝重構(gòu)和葡萄糖抑制調(diào)控，使葡萄糖和蔗糖的產(chǎn)量達到每升數(shù)十克。這項研究有助于豐富基于可再生能源驅(qū)動的農(nóng)業(yè)新范式。Jay D. Keasling實驗室副研究員湯紅婷、于濤實驗室研究助理吳良煥和助理研究員郭姝媛為該論文的共同第一作者， 美國加州大學(xué)伯克利分校教授Jay D. Keasling和深圳先進院研究員于濤為該論文的共同通訊作者。農(nóng)業(yè)為社會提供食物和許多原材料，但目前面臨著巨大的挑戰(zhàn)。預(yù)計到2050年，全球人口將增長到近90-110億人，全球?qū)κ澄锏男枨髮⒃黾?0%。受到有限的可耕地和不斷加劇的氣候變化威脅，農(nóng)業(yè)將幾乎不可能滿足日益增長的需求。此外，隨著人類活動加劇，大量二氧化碳排放造成的全球氣候變化和環(huán)境問題嚴重影響了全球經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，開發(fā)一種經(jīng)濟可行且不占用可耕地就能將CO2轉(zhuǎn)變成糖衍生食品和化學(xué)品的技術(shù)備受矚目。于濤課題組致力于利用合成生物學(xué)方法，解決可持續(xù)制造、綠色能源的生物存儲與糧食安全等重大問題。在過去幾十年里，大氣中的CO2通過熱化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、生化方以及一些耦合策略轉(zhuǎn)化為簡單的低碳化合物（C1-3）已經(jīng)取得了巨大進展。然而，通過這些平臺生產(chǎn)復(fù)雜的化合物是極其困難的。而以這些平臺合成的低碳化合物為底物，可通過微生物細胞工廠轉(zhuǎn)化生產(chǎn)高碳化合物。于濤課題組的前期工作（Nature Catalysis, 2022，https://mp.weixin.qq.com/s/qTTRuVuwQytCG379Ybe8SQ ）表明，通過電化學(xué)偶聯(lián)微生物細胞工廠，成功實現(xiàn)了將CO2變成葡萄糖和脂肪酸（“空氣變糧油”），這為將CO2可持續(xù)轉(zhuǎn)變成糖衍生食品和化學(xué)品提供了一種可行的、高效的方法，其具有更低的成本、更快的速度和更高的生產(chǎn)能力，該成果入選2022年由兩院院士評選出的“中國十大科技進展新聞”。隨后，于濤課題組又成功的在酵母細胞內(nèi)構(gòu)建了一個合成能量系統(tǒng)（細胞“雙引擎”設(shè)計），可以支持細胞生長并助力脂肪酸高效合成（Nature Metabolism, 2022, https://mp.weixin.qq.com/s/blgy-XiWRv1EAIn_wVVYZg） 。在本研究中，研究團隊首先通過分析酵母對不同低碳化合物的利用情況，拓展了微生物細胞工廠的碳源范圍。除了乙醇，釀酒酵母可利用乙二醇（C2）、異丙醇（C3）、丙酸（C3）和甘油為碳源進行細胞生長和葡萄糖生產(chǎn)。進而，通過碳源的混合使用以及比例調(diào)控，進一步的提高了細胞生長和葡萄糖產(chǎn)量。通過工程畢赤酵母，能夠?qū)⒓状迹–1）高效的轉(zhuǎn)化為葡萄糖，其搖瓶產(chǎn)量可達到1.08 g/L, 發(fā)酵罐產(chǎn)量達到了13.41 g/L。進而，研究團隊以乙醇、甲醇、異丙醇和甘油為碳源，進一步拓展了碳水化合物的多樣性，包括五碳糖木糖、木糖醇，六碳糖化合物肌醇、氨基葡萄糖，二糖化合物蔗糖和多糖化合物淀粉。通過代謝工程手段和異源合成途徑的進入，獲得工程酵母能成功的將低碳化合物轉(zhuǎn)化為單糖木糖、木糖醇、肌醇和氨基葡萄糖。其中肌醇和氨基葡萄糖的最高搖瓶產(chǎn)量分別達到了228.71mg/L和69.99 mg/L。除了單糖，研究人員還實現(xiàn)更高碳含量的二糖的合成。在該研究中，通過引入集胞藻的蔗糖合成途徑和強化內(nèi)源代謝流，獲得的工程菌株能高效的利用低碳化合物為碳源合成蔗糖，在此基礎(chǔ)上，通過表達蔗糖轉(zhuǎn)運蛋白，實現(xiàn)了蔗糖的分泌生產(chǎn)，其搖瓶產(chǎn)量可達到1.17g/L，發(fā)酵產(chǎn)量可達到25.41 g/L。更令人興奮的是，研究人員實現(xiàn)了我們生活中方方面面都涉及到的淀粉的微生物合成，其重要性不言而喻。該研究通過引入兩條淀粉合成途徑和調(diào)控內(nèi)源糖原合成及降解途徑，打通了從低碳化合物合成淀粉的合成路徑，其搖瓶產(chǎn)量可達到341.59mg/L。這些研究成果實現(xiàn)微生物的“農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”。最后，該研究還提供了以低碳化合物為碳源高效生產(chǎn)高碳化合物的研究方法。雖然合成這些化合物需要引進外源途徑，但其中樞代謝皆為糖異生途徑。為了有效的提高葡萄糖及其衍生物的產(chǎn)量，研究人員以葡萄糖為研究案例，通過基因過表達和調(diào)控葡萄糖抑制效應(yīng)等手段強化糖異生途徑來提高葡萄糖產(chǎn)量。研究結(jié)果表明，調(diào)控葡萄糖抑制效應(yīng)能夠有效的提高葡萄糖的產(chǎn)量，提高幅度近一倍。這不僅為葡萄糖及其衍生物的產(chǎn)量提高提供示例，該研究構(gòu)建的葡萄糖合成菌株也為進一步研究葡萄糖抑制效應(yīng)提供了平臺。糖類，脂肪酸，蛋白質(zhì)是人類三大基本營養(yǎng)物質(zhì)。近些年，單細胞蛋白逐漸成為蛋白質(zhì)的重要來源與研究熱點。在該研究中，工程酵母的蛋白含量約達到了細胞干重的50%，未來該技術(shù)有望以低碳原料實現(xiàn)糖類糧食化合物的高效產(chǎn)出，同時還能實現(xiàn)單細胞蛋白的副產(chǎn)。近日，圍繞國家雙碳和糧食安全戰(zhàn)略，由中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院與中海石油化學(xué)股份有限公司共同組建的“碳中和與糧食安全交叉創(chuàng)新聯(lián)合實驗室”在北京正式揭牌成立（https://mp.weixin.qq.com/s/VofwH2yeNFFOM1bhJzkZ7A）。于濤課題組將在聯(lián)合實驗室資金支持下繼續(xù)推進該方向的相關(guān)課題研究。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目(2020YFA0907800和2021YFA0911000)，招商局集團，國家自然科學(xué)基金項目(32071416)中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點研究計劃(XDB0480000)，廣東省綠色生物制造重點專項(2022B1111080005)，深圳市微生物藥物智能制造重點實驗室(ZDSYS20210623091810032)，中海石油化學(xué)股份有限公司與深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的資金支持。也得到了深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施提供的儀器支持和質(zhì)粒構(gòu)建的技術(shù)幫助以及深圳先進技術(shù)研究院質(zhì)譜基礎(chǔ)設(shè)施提供的代謝物分析幫助。此外，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授曾杰、華南理工大學(xué)教授黃明濤、深圳先進院研究員羅小舟提供了實驗材料和論文寫作上的幫助。文章鏈接
由于長期淹水狀態(tài)，稻田是溫室氣體甲烷的重要排放源。事實上稻田土壤產(chǎn)生的甲烷，大部分在排放到空氣前被好氧甲烷氧化菌所氧化。而好氧甲烷氧化菌可以分為I型和II型兩個類群，它們具有不同的生理生態(tài)特性和代謝差異。其中甲烷被甲烷氧化菌氧化過程中，一部分碳被氧化成CO2排放到空氣中，另一部分被轉(zhuǎn)為微生物細胞物質(zhì)并最終進入土壤成為SOC，然而，后者很少引起關(guān)注，兩類甲烷氧化菌在稻田土壤甲烷碳轉(zhuǎn)化的相對貢獻及作用機制目前尚不清楚。明確稻田土壤中甲烷碳轉(zhuǎn)化的微生物機制對預(yù)測稻田生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放和碳循環(huán)具有重要意義。由于長期淹水狀態(tài)，稻田是溫室氣體甲烷的重要排放源。事實上稻田土壤產(chǎn)生的甲烷，大部分在排放到空氣前被好氧甲烷氧化菌所氧化。而好氧甲烷氧化菌可以分為I型和II型兩個類群，它們具有不同的生理生態(tài)特性和代謝差異。其中甲烷被甲烷氧化菌氧化過程中，一部分碳被氧化成CO2排放到空氣中，另一部分被轉(zhuǎn)為微生物細胞物質(zhì)并最終進入土壤成為SOC，然而，后者很少引起關(guān)注，兩類甲烷氧化菌在稻田土壤甲烷碳轉(zhuǎn)化的相對貢獻及作用機制目前尚不清楚。明確稻田土壤中甲烷碳轉(zhuǎn)化的微生物機制對預(yù)測稻田生態(tài)系統(tǒng)甲烷排放和碳循環(huán)具有重要意義。中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所流域農(nóng)業(yè)環(huán)境研究中心吳金水研究員團隊成員沿我國東部水稻分布區(qū)選擇了四個氣候帶（中溫帶、暖溫帶、亞熱帶和熱帶）采集典型稻田土壤樣品，其中，每個氣候帶選擇6個稻田土壤分析了甲烷氧化菌群落特征，并設(shè)置13CH4示蹤模擬培養(yǎng)試驗，測定土壤甲烷氧化速率和甲烷碳轉(zhuǎn)化效率。結(jié)果表明，與熱帶和亞熱帶酸性稻田土壤相比，暖溫帶堿性稻田土壤甲烷氧化速率和碳轉(zhuǎn)化效率更高，這主要是由于甲烷氧化菌生態(tài)位分化和代謝差異引起。熱帶和亞熱帶低pH值土壤更適宜II型甲烷氧化菌，而暖溫帶高pH值土壤更適宜I型甲烷氧化菌。I型甲烷氧化菌通過RuMP碳同化途徑比II型甲烷氧化菌通過絲氨酸途徑具有更高的碳轉(zhuǎn)化效率。基于13C同位素磷脂脂肪酸（PLFA）分析結(jié)果進一步支撐了這一觀點，I型甲烷氧化菌代表性C16 PLFA中13C豐度和含量遠高于II型甲烷氧化菌代表性C18 PLFA中13C豐度和含量。據(jù)此得出結(jié)論：稻田土壤甲烷氧化和甲烷碳轉(zhuǎn)化過程中I型甲烷氧化菌起主導(dǎo)作用。因此，在全球氣候變化背景下，有必要將特殊的功能微生物類群（如甲烷氧化菌）納入溫室氣體排放預(yù)測和土壤碳通量估算模型。該項研究近期以題為Type I methanotrophs dominated methane oxidation and assimilation in rice paddy fields by the consequence of niche differentiation發(fā)表在土壤學(xué)領(lǐng)域一區(qū)期刊Biology and Fertility of Soil上。該研究得到了“十四五”國家重點研發(fā)計劃（2021YFD1901204, 2021YFD1901203），國家自然科學(xué)基金（42377348, 42177295）等的共同資助。論文鏈接四個氣候區(qū)稻田土壤甲烷氧化速率及碳轉(zhuǎn)化效率稻田土壤甲烷碳轉(zhuǎn)化的微生物機制
近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室研究員高貝樂團隊在放線菌鞭毛起源和退化研究中取得新進展，相關(guān)成果以“The common origin and degenerative evolution of flagella in Actinobacteria”為題，在線發(fā)表于mBio。中國科學(xué)院南海海洋研究所助理研究員朱思琦、科研助理孫賢為該論文的共同第一作者，高貝樂為論文通訊作者。細菌鞭毛是最復(fù)雜的納米機器之一，鞭毛介導(dǎo)的運動在細菌環(huán)境適應(yīng)過程中發(fā)揮著重要作用，并對其形態(tài)、生理和發(fā)育具有直接影響。鞭毛和鞭毛介導(dǎo)的運動可能在細菌進化過程中發(fā)揮了重要作用。然而，鞭毛的獲得和丟失對細菌譜系演化的影響缺乏系統(tǒng)的研究，尤其是在高級分類水平。放線菌門是細菌域中最大的細菌門之一，在生態(tài)分布、形態(tài)特征、生理和生命周期等方面都展現(xiàn)出巨大的生物多樣性。放線菌門中最具代表的分枝桿菌和鏈霉菌都沒有鞭毛，而少數(shù)放線菌能在其生命周期的早期短暫形成帶有鞭毛的游動孢子，以極高的速度運動，但相關(guān)的功能研究十分匱乏。早期的細菌域基因組分析表明，極少數(shù)放線菌具有“不完整”的鞭毛基因，而這些鞭毛基因的進化來源和演變過程并不明確，鞭毛馬達的組成和結(jié)構(gòu)有待揭示，鞭毛運動與放線菌豐富的生物多樣性之間的關(guān)系尚不清楚。本研究對目前已知的放線菌門下的所有譜系的鞭毛基因分布和組成，結(jié)合生理、生態(tài)等特征進行了全面分析。研究結(jié)果表明，放線菌的祖先具有完整的鞭毛基因，主要通過垂直傳遞的方式遺傳給子代。放線菌門早期進化的譜系主要分布在水生環(huán)境中，這些單細胞物種普遍保留了鞭毛基因；隨后進化的譜系（放線菌綱）大多與宿主相關(guān)或分離自土壤環(huán)境，并且能夠形成菌絲體并具備復(fù)雜的細胞周期，這些譜系經(jīng)歷了多次鞭毛基因的丟失事件（圖1）。能夠形成游動孢子的放線菌只在單細胞的孢子形成階段利用鞭毛運動，一旦孢子萌發(fā)就開始丟失鞭毛并喪失運動性。為了保留鞭毛基因，我們發(fā)現(xiàn)這些基因組中具備更多的c-di-GMP合成酶和趨化類型，可能用以協(xié)調(diào)鞭毛基因的表達和細胞周期（圖1）。放線菌門隨后進化的譜系除了鞭毛基因的大量丟失外，保留鞭毛的物種在其結(jié)構(gòu)上也經(jīng)歷了退化。早期出現(xiàn)的譜系具有與模式生物相似的鞭毛組分，而后期進化的譜系丟失了部分鞭毛基因，其中最顯著的是鞭毛的遠端桿組分FlgFG，形成了目前已知的最簡單的鞭毛桿結(jié)構(gòu)（圖2）。FlgFG是鞭毛桿-鞭毛鉤連接的分子基礎(chǔ)，這說明目前基于沙門氏菌的組裝模型并不適用于這些物種。由于鞭毛桿內(nèi)嵌于細胞壁之中，必須與周圍結(jié)構(gòu)協(xié)同進化，我們推測這些沒有FlgFG的放線菌在細胞壁結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了改變。此外，隨著鞭毛結(jié)構(gòu)的改變，后期進化的放線菌的趨化類型也從F1型變成了F5型（圖1）。綜上所述，研究團隊通過深度的基因組學(xué)分析，揭示了放線菌鞭毛基因的起源和零星分布之謎，為放線菌物種演化與鞭毛丟失之間的聯(lián)系提供了獨特見解。作為放線菌鞭毛退化的產(chǎn)物，最簡單的鞭毛桿有望成為合成生物學(xué)中重構(gòu)納米機器的模型。本研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項、國家重點研發(fā)計劃項目、南方海洋科學(xué)與工程引進人才團隊重點專項廣東實驗室(廣州)、廣東省科技計劃項目、中國科學(xué)院南海生態(tài)與環(huán)境工程創(chuàng)新研究院的資助。相關(guān)論文信息：https://journals.asm.org/doi/10.1128/mbio.02526-23圖1 放線菌鞭毛進化示意圖圖2 放線菌鞭毛的退化
