新陳代謝是生命最基本的特征。生物在長期的進化過程中，形成了相應(yīng)的代謝系統(tǒng)及調(diào)控機制，來適應(yīng)外界環(huán)境的變化，尤其是食物營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)變化的需要。例如，陸生動物進化出著名的鳥氨酸-尿素循環(huán)，用于處理食物中蛋白質(zhì)分解代謝所產(chǎn)生的大量氨，將氨轉(zhuǎn)化為尿素后排出體外。因此，鳥氨酸-尿素循環(huán)是細胞氮廢物排除的關(guān)鍵，是陸生動物高蛋白飲食必要的代謝途徑。然而，細菌和植物缺乏這一代謝途徑。

藍藻是地球上最早出現(xiàn)的光合自養(yǎng)生物，它們利用水作為電子供體，利用太陽光能將CO2還原成有機碳化合物，并釋放出自由氧，在地球生物圈形成和發(fā)展過程中起了關(guān)鍵作用。藍藻廣泛分布于自然界，包括各種水體和土壤中，對生物地球化學(xué)循環(huán)有非常重要的貢獻。同時藍藻在生物技術(shù)應(yīng)用方面也極具潛力。
盡管藍藻在進化、生態(tài)、環(huán)境及生物技術(shù)等方面扮演著重要角色，人們對其代謝及調(diào)控機制仍然缺乏系統(tǒng)的認識。

今天(4月9日），國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然化學(xué)生物學(xué)》在線發(fā)表了中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所楊琛研究組題為“精氨酸雙水解酶參與藍細菌中的鳥氨酸-氨循環(huán)”的最新研究論文。該研究利用動態(tài)代謝流量組與代謝組分析技術(shù)首次發(fā)現(xiàn)了一條新型氮代謝途徑—鳥氨酸-氨循環(huán)，發(fā)現(xiàn)該循環(huán)包含一步新的生化反應(yīng)，即精氨酸雙水解酶催化精氨酸水解生成鳥氨酸和氨。

研究表明在氮源充足條件下鳥氨酸-氨循環(huán)促使氮同化及存儲以最大速率進行，而在氮源匱乏時該循環(huán)使得細胞中的氮儲存迅速分解，從而滿足細胞的生長需要。因此，鳥氨酸-氨循環(huán)具有氮存儲和活化的功能，對于藍藻適應(yīng)環(huán)境氮源缺乏和變化極其重要。 鳥氨酸-氨循環(huán)在藍藻中廣泛存在，包括許多海洋固氮藍藻，所以它對于海洋氮固定乃至地球的氮循環(huán)都具有非常重要的貢獻。

作為地球上最古老的居民，藍藻細胞內(nèi)的鳥氨酸-氨循環(huán)比動物體內(nèi)的鳥氨酸-尿素循環(huán)出現(xiàn)的更早。與哺乳動物不同，在藍藻的天然生存環(huán)境中氮源往往匱乏，使其處于氮饑餓狀態(tài)。因此，藍藻細胞內(nèi)氮的“倉儲”與“周轉(zhuǎn)”對其適應(yīng)生存環(huán)境極為重要，而鳥氨酸-氨循環(huán)是實現(xiàn)該“物流”的核心線路。

這一發(fā)現(xiàn)有助于合成生物學(xué)家設(shè)計和改造藍藻、實現(xiàn)CO2到生物燃料和化學(xué)品的直接轉(zhuǎn)化，同時為理解和提高農(nóng)作物的氮素使用效率提供新的思路。