Vías metabólicas que desempeñan un papel importante en la purificación del nitrógeno

En el proceso de evolución, los organismos forman sistemas metabólicos y mecanismos reguladores que se adaptan a los cambios en el entorno nutricional externo. Por ejemplo, los animales terrestres han desarrollado el famoso ciclo ornitina-urea para procesar grandes cantidades de amoníaco producido por el catabolismo de las proteínas en los alimentos, pero las bacterias y las plantas carecen de esta vía metabólica. Las cianobacterias (también conocidas como cianobacterias) son los primeros fotoautótrofos de la tierra. Utilizan agua como donante de electrones y la luz solar puede reducir el CO2 a compuestos de carbono orgánico y liberar oxígeno libre, que desempeña un papel clave en la formación y el desarrollo de la biosfera de la Tierra. Las cianobacterias están ampliamente distribuidas en la naturaleza, incluidos varios cuerpos de agua y suelos, y realizan contribuciones muy importantes a los ciclos biogeoquímicos. Al mismo tiempo, las cianobacterias también tienen un gran potencial en aplicaciones biotecnológicas. Aunque las cianobacterias desempeñan un papel importante en la evolución, la ecología, el medio ambiente y la biotecnología, el mecanismo de regulación dinámica de su metabolismo celular para adaptarse a los cambios ambientales sigue sin estar claro.

El grupo de investigación de Chen Yang en el Laboratorio Clave de Biología Sintética de la Academia de Ciencias de China utilizó la tecnología de análisis de metabolómica y flujoma metabólico dinámico previamente desarrollada para estudiar la respuesta metabólica de las cianobacterias a las perturbaciones de la fuente externa de nitrógeno y descubrió que el flujo intracelular aves Existe un ciclo metabólico activo entre los aminoácidos y la arginina. Y se descubrió que este ciclo contiene una nueva reacción bioquímica, es decir, la arginina biohidrolasa cataliza la hidrólisis de la arginina para producir ornitina y amoníaco. Las investigaciones muestran que el ciclo ornitina-amoníaco promueve la asimilación y almacenamiento de nitrógeno a la velocidad máxima cuando la fuente de nitrógeno es suficiente, y este ciclo permite que el nitrógeno almacenado en la célula se descomponga rápidamente cuando la fuente de nitrógeno es insuficiente, satisfaciendo así el crecimiento. de la célula. Por lo tanto, el ciclo ornitina-amoníaco tiene las funciones de almacenamiento y activación de nitrógeno, y es extremadamente importante para que las cianobacterias se adapten a la falta y los cambios de las fuentes ambientales de nitrógeno. En comparación con el ciclo ornitina-urea en los animales, el ciclo ornitina-amoníaco es más antiguo y su existencia sugiere que diferentes especies pueden haber evolucionado varios ciclos de ornitina para adaptarse a sus entornos de vida. El ciclo ornitina-amoníaco se encuentra ampliamente en las cianobacterias, incluidas muchas cianobacterias marinas fijadoras de nitrógeno, por lo que esta vía metabólica hace una contribución importante a la fijación de nitrógeno marino e incluso al ciclo del nitrógeno terrestre. Los expertos comentaron que este trabajo atraerá una amplia atención de investigadores en los campos de la biología química y la microbiología y tendrá un impacto en la oceanografía y la investigación agrícola. Al mismo tiempo, tendrá amplias perspectivas de aplicación en los campos de la ingeniería metabólica y la biología sintética.