在水生態(tài)系統(tǒng)中，它是初級(jí)生產(chǎn)者，為其他生物提供了氧氣和有機(jī)物質(zhì)，是食物鏈的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，為眾多浮游動(dòng)物、小型魚(yú)類(lèi)等提供食物來(lái)源，對(duì)于維持水生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定不可或缺。球藻對(duì)水體環(huán)境的變化較為敏感，可以作為水體環(huán)境質(zhì)量的指示生物。在水質(zhì)良好、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)適度的水體中，空球藻能夠正常生長(zhǎng)和繁殖；而在受到污染或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩的水體中，空球藻的生長(zhǎng)可能會(huì)受到影響或出現(xiàn)異常繁殖的情況，如形成水華。所以，通過(guò)觀察空球藻的種群數(shù)量、生長(zhǎng)狀況等，可以反映水體的營(yíng)養(yǎng)狀況、污染程度等環(huán)境信息。例如，在水質(zhì)良好、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)適宜的水體中，空球藻能夠正常生長(zhǎng)繁殖；而在受到污染或環(huán)境變化較大的水體中，其生長(zhǎng)可能會(huì)受到抑制或發(fā)生異常變化。因此，空球藻可作為監(jiān)測(cè)水生態(tài)環(huán)境的指示生物，為環(huán)境保護(hù)和生態(tài)監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

空球藻在細(xì)胞分化方面具有獨(dú)特性，其群體中細(xì)胞數(shù)量較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞和生殖細(xì)胞的分化，這為研究細(xì)胞分化的機(jī)制和生物進(jìn)化提供了良好的模型。通過(guò)對(duì)空球藻細(xì)胞分化過(guò)程的研究，可以深入了解細(xì)胞在多細(xì)胞生物形成過(guò)程中的變化和發(fā)展，對(duì)于揭示生命的起源和進(jìn)化具有重要的科學(xué)意義。作為一種藻類(lèi)生物，空球藻具有相對(duì)簡(jiǎn)單的基因組結(jié)構(gòu)，這使得它成為基因研究的理想對(duì)象。科學(xué)家可以通過(guò)研究空球藻的基因表達(dá)、調(diào)控等方面，了解基因的功能和作用機(jī)制，為其他生物的基因研究提供參考和借鑒。

　　匈牙利塞格德生物學(xué)研究中心分子光生物能學(xué)小組開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，可利用綠藻可持續(xù)地生產(chǎn)工業(yè)氫。有關(guān)研究成果發(fā)表于《生物資源技術(shù)》上。

　　綠藻能夠利用葉綠體中的氫化酶產(chǎn)生氫，作為光合作用的副產(chǎn)物。綠藻的氫化酶非常有效，但是它們對(duì)光合作用過(guò)程中產(chǎn)生的氧氣很敏感，在自然界中的制氫過(guò)程僅能持續(xù)幾分鐘，這已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)生物氫生產(chǎn)的主要障礙。

　　匈方研究人員在綠藻生產(chǎn)氫的效率和可持續(xù)性的研究中取得了重大進(jìn)展，所開(kāi)發(fā)的新技術(shù)較以前的技術(shù)更加有效和可持續(xù)，而且過(guò)程簡(jiǎn)便，具有良好應(yīng)用前景。研究人員將薄層但濃度很高的藻類(lèi)培養(yǎng)物放置在合適的光生物反應(yīng)器中，將培養(yǎng)物在黑暗中放置數(shù)小時(shí)，以形成產(chǎn)生氫的酶，然后將其暴露在光下，藻類(lèi)從水中產(chǎn)生氫氣持續(xù)數(shù)天。從生物工業(yè)的角度來(lái)看，即使在日照強(qiáng)度下也可以維持氫的產(chǎn)生，而不會(huì)嚴(yán)重破壞藻類(lèi)的培養(yǎng)。與以前的方法相比，新方法的產(chǎn)量提高了約十倍。對(duì)于某些光合作用突變體，制氫過(guò)程甚至更穩(wěn)定，產(chǎn)率也更高。下一步，匈方研究人員擬進(jìn)一步提高產(chǎn)量，設(shè)計(jì)出適合工業(yè)制氫的光生物反應(yīng)器。

地球上的生命從誕生，到海洋出現(xiàn)，再到出現(xiàn)原核生命、真核生命，經(jīng)歷了數(shù)十億年的漫長(zhǎng)進(jìn)化。長(zhǎng)期以來(lái)，有關(guān)遠(yuǎn)古海洋中的綠藻，是如何登上陸地并演化成陸地上千姿百態(tài)的植物群落的疑問(wèn)，一直是科學(xué)界研究的焦點(diǎn)。

日前，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院基因組所合成生物學(xué)中心程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)、加拿大、俄羅斯與深圳華大基因的科學(xué)家發(fā)布一項(xiàng)重大成果，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)最新單細(xì)胞綠藻的基因組，揭示了其與陸地植物共同祖先在5億年前突破了干旱適應(yīng)成功登陸的分子機(jī)制。該成果已于11月14日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《細(xì)胞》上。

海洋生物的“登陸”之謎

約15億年前，當(dāng)陸地上還不存在任何生命之時(shí)，海洋中出現(xiàn)了可以進(jìn)行光合作用的真核生命。此后的數(shù)億年里，原始的藻類(lèi)在海洋中大量形成。任何生命都有進(jìn)化、發(fā)展的本能，大約5億至6億年前，生活在海洋中的藻類(lèi)開(kāi)始蠢蠢欲動(dòng)，向陸地進(jìn)發(fā)，出現(xiàn)了植物陸地化事件。

這是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的演化過(guò)程，原本生活在水中的藻類(lèi)，如何適應(yīng)土壤生存，怎么獲取水分、養(yǎng)分，這些現(xiàn)在看起來(lái)好像很容易達(dá)成的能力，在數(shù)億年前，是生命體進(jìn)化過(guò)程中無(wú)法逾越的巨大鴻溝。

在潮起潮落、滄海桑田的跌宕變遷中，地球上的地理生境也發(fā)生了巨大改變。江河湖泊、河床、近海泥沼、水坑等開(kāi)始出現(xiàn)，許多地方的咸水慢慢演變成淡水。與此同時(shí)，藻類(lèi)開(kāi)始與土壤細(xì)菌混合互作，并發(fā)展出新的營(yíng)養(yǎng)獲取方式。又經(jīng)過(guò)了數(shù)億年的演變，這些藻類(lèi)進(jìn)化出了維管植物、裸子植物、被子植物，并最終形成我們今天千姿百態(tài)的陸生植物群。

植物陸地化事件深刻改變了整個(gè)地球的生態(tài)系統(tǒng)，是地球表面“變綠”和多樣性爆發(fā)的起點(diǎn)。它們?yōu)楦叩壬ㄈ祟?lèi)，提供了包括氧氣、食品、營(yíng)養(yǎng)和天然藥物等必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。

值得一提的是，在過(guò)去幾十億年的生命演化過(guò)程中，有多個(gè)類(lèi)群的光合真核生物都曾突破干旱適應(yīng)，成功登上陸地。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的化石與分子證據(jù)均表明，現(xiàn)存陸地植物的起源來(lái)源于一次單一登陸事件。也就是說(shuō)，只有一種類(lèi)似藻類(lèi)的生命才是陸地植物的共同祖先。而其他藻類(lèi)雖然也陸陸續(xù)續(xù)成功登陸并生存下去，比如我們現(xiàn)在看到的硅藻、藍(lán)藻等，但它們?nèi)狈M(jìn)一步向更高等形態(tài)進(jìn)化的能力，因此不是陸地植物的共同祖先。

全世界的植物分類(lèi)學(xué)家和進(jìn)化學(xué)家們?cè)诓煌貐^(qū)做過(guò)不同程度的研究，分析過(guò)最簡(jiǎn)單原始的基部陸地植物，如蘚、苔、角苔類(lèi)植物，因?yàn)檫@些植物生活在水與陸地接壤或是潮濕的地方，最接近數(shù)億年前藻類(lèi)登陸的情境。

在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們最終將答案鎖定在輪藻目、鞘毛藻目，以及形態(tài)簡(jiǎn)單得多的雙星藻綱中。這3個(gè)類(lèi)目的藻類(lèi)，究竟誰(shuí)才是陸地植物共同的祖先？對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)界一直沒(méi)有停止過(guò)爭(zhēng)論。

“當(dāng)我們無(wú)法將正確的物種定位到正確的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上時(shí)，就無(wú)法很好地回答很多生物學(xué)和進(jìn)化問(wèn)題?！背虝r(shí)鋒說(shuō)，弄清楚發(fā)生在5億年前的植物祖先陸地化的分子機(jī)制，是一件很困難卻很有趣的事情。

不起眼的“逆襲者”

2015年，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)從德國(guó)科隆大學(xué)藻種中心獲取了雙星藻綱中的兩個(gè)物種，在深圳華大基因進(jìn)行了“身份識(shí)別”，并于2016年底正式獲得基因組序列等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從此，藏在這兩個(gè)物種基因里長(zhǎng)達(dá)十多億年的秘密，終于逐漸呈現(xiàn)在科學(xué)家的眼前，一部漫長(zhǎng)的藻類(lèi)登陸史初現(xiàn)端倪。

科學(xué)家們通過(guò)系統(tǒng)分類(lèi)與比較進(jìn)化基因組學(xué)研究，證實(shí)了其中之一的綠藻Spirogloea muscicola（尚無(wú)中英文譯名），居然是屬于一個(gè)全新的物種，并且它是雙星藻綱最早分化出來(lái)的，最接近陸地植物共同祖先的基部物種。

這一結(jié)論令人驚訝：這意味著，在該成果發(fā)表之前，人們一直不知道陸地植物真正祖先的基因組長(zhǎng)啥樣。更為意外的是，雙星藻綱的大多數(shù)物種是以單細(xì)胞或簡(jiǎn)單的絲狀形式存在，這也就解釋了，為何之前在植物共同祖先上科學(xué)界有著很多爭(zhēng)議——因?yàn)楹芏嗫茖W(xué)家傾向于把更像高等陸地植物的復(fù)雜苔蘚或輪藻或鞘毛藻，當(dāng)成陸地植物可能的祖先，而忽略了這個(gè)外形結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的雙星藻綱。顯然，在事實(shí)面前，這個(gè)最不起眼的種類(lèi)最終成為“逆襲者”。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，與其他分支的綠藻相比，雙星藻綱基因組具有更多與抗逆、抗干旱、抗強(qiáng)紫外線(xiàn)等相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，與陸地植物共享著大量之前被認(rèn)為是陸地植物才特有的核心基因家族，如植物激素、與細(xì)菌/真菌共生等，其細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)也更接近于陸地植物。

“這表明，在登陸之前，雙星藻綱祖先的基因組和遺傳代謝已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)幕蚪M創(chuàng)新，獲得了大量新基因或家族擴(kuò)增，為適應(yīng)陸生生活做好了遺傳物質(zhì)準(zhǔn)備?！背虝r(shí)鋒說(shuō)。

另外一個(gè)讓科學(xué)家們感到意外的發(fā)現(xiàn)是，團(tuán)隊(duì)在Spirogloea muscicola基因組中檢測(cè)到了一次顯著的近期全基因組三倍化事件?！盎蚧蛉蚪M倍化是生命由簡(jiǎn)單到復(fù)雜演化的重要?jiǎng)恿χ?，但是這種現(xiàn)象在藻類(lèi)中極其少見(jiàn)。”程時(shí)鋒說(shuō)，此次團(tuán)隊(duì)捕捉到的這個(gè)多倍化信號(hào)，是近期發(fā)生的，但也暗示了Spirogloea這個(gè)門(mén)類(lèi)可能一直擁有這種多倍化的能力，是促使其陸地化的重要影響因素。然而，登陸之前的古老多倍化事件是否發(fā)生？依然需要進(jìn)一步研究。

從細(xì)菌中“借來(lái)”的基因

絕大多數(shù)情況下，基因是垂直傳遞的，即父輩傳給子輩，水平之間的基因極難傳遞，就好比植物的基因無(wú)論怎樣也無(wú)法傳遞到動(dòng)物體內(nèi)。

而在此次研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，此次測(cè)序的兩個(gè)雙星藻基因組的祖先居然從土壤細(xì)菌中“偷”或“借”來(lái)了兩個(gè)關(guān)鍵基因：GRAS和PYL，這是陸地植物祖先適應(yīng)陸地生境的關(guān)鍵分子信號(hào)。其中，GRAS是植物研究中的“明星基因”之一，它非常“多才多藝”，與植物生長(zhǎng)、發(fā)育和抗逆等很多重要代謝途徑相關(guān)。GRAS家族中的NSP1、NSP2、RAM1等亞家族是調(diào)控菌枝叢根、結(jié)瘤共生固氮等植物生理生態(tài)過(guò)程非常重要的轉(zhuǎn)錄因子。PYL基因則是脫落酸ABA遺傳通路中重要的受體因子。此前，這些基因和功能一直被科學(xué)界認(rèn)為只有陸地植物才特有。而團(tuán)隊(duì)首次在該研究中將其“祖先的根”追溯到了雙星藻綱的兩個(gè)基因組上，并證明其起源于一次從土壤細(xì)菌中來(lái)的水平基因轉(zhuǎn)移事件HGT。而且，通過(guò)分子系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，該HGT事件發(fā)生的時(shí)間約為5.8億年前，正好與植物陸地化的化石時(shí)間吻合。

HGT事件是一個(gè)長(zhǎng)期具有爭(zhēng)議性的話(huà)題。很多研究認(rèn)為，該現(xiàn)象僅存在于原核生命中，如細(xì)菌之間，從細(xì)菌到高等真核生物的HGT事件極其罕見(jiàn)，且一般由于年代久遠(yuǎn)，很難證實(shí)。近些年，陸續(xù)有報(bào)道發(fā)生在高等植物中的HGT事件。

此次，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量純化樣品和精細(xì)的序列分析保障下，排除了細(xì)菌污染的可能，驗(yàn)證了基因組組裝、注釋、真核基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)的數(shù)據(jù)可靠性，最后通過(guò)大規(guī)模基因組比較系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析，利用不同數(shù)據(jù)矩陣、不同軟件、不同算法和分子模型，均得到一致的暗示HGT事件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，證實(shí)了GRAS/PYL從細(xì)菌轉(zhuǎn)移至雙星藻綱與陸地植物共同祖先的HGT事件。

據(jù)推測(cè)，該HGT事件是陸地植物祖先獲得功能與適應(yīng)性上“歷史性飛躍”的關(guān)鍵一步，為后來(lái)的5億年中，綠色植物逐漸占領(lǐng)地球扮演了極其重要的角色。

“這表明，自然界中發(fā)生的‘轉(zhuǎn)基因’，或自發(fā)性的遺傳工程事件，是存在的?！背虝r(shí)鋒笑言道，“如果有時(shí)光機(jī)帶著人們回到5億多年前，或許是個(gè)不錯(cuò)的體驗(yàn)，我們還可以現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?！?/span>

但是，生命的演化是極其復(fù)雜的，有很多綜合影響的因素。“重要的是，我們找到了系統(tǒng)比較進(jìn)化基因組學(xué)這個(gè)極其有效的基因發(fā)現(xiàn)手段，即便利用現(xiàn)存的有限物種和數(shù)據(jù)，也能幫助我們研究很多億萬(wàn)年前的、深度同源或平行演化性狀起源的分子規(guī)律。從大自然多樣性的物種資源中獲得啟發(fā)，進(jìn)行目標(biāo)功能基因發(fā)現(xiàn)與挖掘，是如今農(nóng)業(yè)育種家們需要重視的重要一步。”程時(shí)鋒補(bǔ)充道。

原文鏈接：https://www.cnbeta.com/articles/science/911939.htm

腦疾病和藍(lán)綠藻之間的奇怪聯(lián)系

澳大利亞國(guó)立大學(xué)研究員龍奔博士說(shuō)，這項(xiàng)研究解決了藍(lán)藻，被稱(chēng)為藍(lán)綠色怎樣的長(zhǎng)期問(wèn)題藻類(lèi)，營(yíng)造碳捕獲引擎稱(chēng)為蛋白質(zhì)液滴形成carboxysomes。Carboxysomes負(fù)責(zé)使藍(lán)綠藻非常有效地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的糖 – 比作物植物快三倍。計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)表明，升級(jí)植物光合作用以在藍(lán)綠藻中使用相同的機(jī)制將導(dǎo)致植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的顯著增加。

“農(nóng)業(yè)作物育種在實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)增長(zhǎng)方面遇到了障礙，”澳大利亞國(guó)立大學(xué)生物學(xué)研究院的龍博士說(shuō)，他的工作得到了國(guó)際實(shí)現(xiàn)增加光合效率(RIPE)聯(lián)盟的資助?！拔覀冃枰獙⑹称樊a(chǎn)量翻一番，以滿(mǎn)足2050年的需求?！?/span>

Long博士說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的工作重點(diǎn)是最終能夠?qū)⑦@些藍(lán)綠色藻類(lèi)植物體移植到重要的作物植物中，以幫助它們更有效地捕獲碳并提高產(chǎn)量。他說(shuō)，該研究的結(jié)果也可能導(dǎo)致其他令人興奮的結(jié)果?！暗鞍踪|(zhì)液滴的形成似乎在許多神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默氏癥中起著非常重要的作用，”他說(shuō)。“了解這種現(xiàn)象在這些藍(lán)藻系統(tǒng)中的作用，不僅使我們能夠通過(guò)加強(qiáng)食品安全推動(dòng)未來(lái)發(fā)展，還可以幫助從事神經(jīng)退行性疾病研究的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新的新療法?！翱茖W(xué)家們現(xiàn)在意識(shí)到蛋白質(zhì)液滴的形成是許多生物系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的情況發(fā)生這種情況?！皩?shí)現(xiàn)這些奇特的聯(lián)系表明，從其他學(xué)科中學(xué)到巨大的潛力，可以為阿爾茨海默氏癥和工程超級(jí)作物的治療取得突破，這些作物將為全世界不斷增長(zhǎng)的人群提供食物?！?/span>

致謝

1. ???感謝華南理工大學(xué)魏東老師對(duì)文章的建議；
2. ???感謝中科院水生所徐旭東老師對(duì)上一篇文章《認(rèn)識(shí)藍(lán)藻》中關(guān)于-phyceae釋義的訂正，原文“但是后面的phyceae就有點(diǎn)不那么恰當(dāng)了：因?yàn)閜hyceae是在植物學(xué)命名系統(tǒng)里表示藻類(lèi)的意思”，其實(shí)我想表達(dá)的意思是-phyceae這個(gè)后綴是真核藻類(lèi)特有的綱的后綴，原文確系表述不清；
3. ???感謝中科院水生所張承才老師對(duì)上一篇文章《認(rèn)識(shí)藍(lán)藻》中關(guān)于藍(lán)藻命名史不完善的指點(diǎn)，張老師建議補(bǔ)充RogerYate Stanier將藍(lán)藻命名為Cyanobacteria的歷史；
4. ???感謝中科院水生所王宇博士生對(duì)本文提供對(duì)的精美的枝鞘藻圖片；
5. ???感謝中科院水生所何舜平老師、畢永紅老師、李仁輝老師、袁麗老師及其他老師的轉(zhuǎn)發(fā)與分享；
6. ???感謝光語(yǔ)生物、天津愛(ài)微生科、中國(guó)海洋湖沼學(xué)會(huì)及其他公眾號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)與分享；
7. ???如果關(guān)于這篇文章有什么指正或建議，歡迎聯(lián)系，微信：Qikun-Jia，沐衣敬候。

本文轉(zhuǎn)自：藻類(lèi)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新

作者：賈其坤

https://mp.weixin.qq.com/s/Y9jw1X57f1xHPOuefk3-0g

魯爾大學(xué)波鴻分校的Jens Noth博士和Thomas Happe教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《安格萬(wàn)特化學(xué)》雜志上報(bào)道了這一結(jié)果。研究人員打算為人造的產(chǎn)氫酶奠定基礎(chǔ)，這種酶有朝一日將在工業(yè)層面上生產(chǎn)。氫化酶是潛在能量載體的高效生產(chǎn)者，不需要昂貴的貴金屬鉑(目前氫合成所需的貴金屬鉑)。

在自然界中，氫化酶輔因子由鐵和硫原子組成。它們以獨(dú)特的方式結(jié)合在蛋白質(zhì)中。在這種人工轉(zhuǎn)化中，研究人員用硒原子取代了硫原子，硒原子的質(zhì)量是硫原子的兩倍多。使用這種方法，他們標(biāo)記了酶的輔因子并能夠更詳細(xì)地分析它。

試驗(yàn)表明，這種人造酶變體具有與自然界中原始酶相同的生化特性。在其他生物物理方法的幫助下，該小組打算更詳細(xì)地研究氫化酶生產(chǎn)氫的反應(yīng)機(jī)理。

浙江大學(xué)求是高等研究院徐旭榮副教授課題組，聯(lián)合浙大化學(xué)系教授唐?？?、上海師范大學(xué)藻類(lèi)光合作用與生物能源轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室教授馬為民開(kāi)展了這項(xiàng)研究工作。

沉睡的“氫酶”

作為一類(lèi)零碳能源，氫能綠色環(huán)保，十分理想。可氫氣從哪里來(lái)呢？當(dāng)前，氫氣主要來(lái)源于石化產(chǎn)業(yè)，從石油中制取。科學(xué)家們一直在探索，能否借助自然界中現(xiàn)成的“設(shè)備”，利用太陽(yáng)能分解水來(lái)產(chǎn)生氫氣？

藻類(lèi)細(xì)胞的希望很大。30多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)綠藻細(xì)胞中除了進(jìn)行光合作用的光系統(tǒng)I和II以外，還存在著一種氫酶。“當(dāng)氫酶被激活后，綠藻就能在進(jìn)行光合作用的時(shí)候產(chǎn)生氫氣，然而氫酶對(duì)氧氣非常敏感，在有氧的情況下，氫酶迅速失去活性。所以在正常光照條件下，綠藻通常是進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生氧氣?！毙煨駱s老師說(shuō)，實(shí)際上氫酶被激活而產(chǎn)生氫氣，是綠藻應(yīng)對(duì)缺氧等“脅迫”狀況下產(chǎn)生的一種應(yīng)激反應(yīng)，能否對(duì)綠藻進(jìn)行改造，隔絕氧氣，重新“喚醒”氫酶呢？

徐旭榮的合作者之一，化學(xué)系的唐?？到淌陂L(zhǎng)期從事生物礦化研究。他有一項(xiàng)“絕活”，即通過(guò)生物礦化手段，給細(xì)胞“穿”上一層外衣，從而賦予細(xì)胞不同的性能?！叭绻G藻也被‘包裹’起來(lái)，是否可以人為制造缺氧環(huán)境呢？”

“綠藻俠”抱團(tuán)產(chǎn)氫

課題組嘗試用二氧化硅去包裹綠藻。和預(yù)想不一樣的是，單個(gè)的綠藻細(xì)胞不能產(chǎn)氫，只是進(jìn)行正常的光合作用，產(chǎn)生氧氣。但他們“意外”發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)個(gè)“穿”著二氧化硅的綠藻逐漸粘合在一起，形成了一個(gè)個(gè)綠藻復(fù)合體時(shí)，在培養(yǎng)綠藻的試管上方，探針既探測(cè)到了氧氣，也探測(cè)到了氫氣。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在正常的光照條件下，綠藻團(tuán)能持續(xù)地產(chǎn)生氫氣，目前最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)72小時(shí)。

“在電子顯微鏡下，我們看到直徑大約100微米的綠藻復(fù)合體，里面包含大約5000個(gè)左右綠藻?！闭n題組博士生熊威解釋說(shuō)，處于復(fù)合體內(nèi)部的那部分綠藻，因?yàn)榭臻g密閉，它們光合作用產(chǎn)生的氧氣恰好被呼吸作用消耗掉，不會(huì)有“多余”的氧氣去抑制氫酶。“外層的綠藻進(jìn)行正常的光合作用產(chǎn)生氧氣但同時(shí)隔絕內(nèi)部細(xì)胞和外界的接觸；內(nèi)部的綠藻通過(guò)光合產(chǎn)氧和呼吸作用的平衡制造出一個(gè)既能維持綠藻細(xì)胞光合活性但同時(shí)能夠激活氫酶的無(wú)氧條件，通過(guò)這樣的方式激活氫酶從而實(shí)現(xiàn)了光合產(chǎn)氫，其產(chǎn)氫效率等同于正常的光合作用。”

在此之前，科學(xué)界也有讓綠藻產(chǎn)氫的各種嘗試。最經(jīng)典的要數(shù)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校學(xué)者的兩步法間接光解水制氫工藝，第一步是綠藻進(jìn)行光合作用，固定二氧化碳，釋放氧氣，獲得生物量的積累；第二步是在無(wú)硫、厭氧的環(huán)境中誘導(dǎo)氫酶的高表達(dá)。美國(guó)能源部認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)有望最終達(dá)到市場(chǎng)可接受的生產(chǎn)成本。

“兩步法是從‘時(shí)間’上對(duì)產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行分隔來(lái)實(shí)現(xiàn)綠藻產(chǎn)氫，而我們的方法則是通過(guò)‘空間’上對(duì)產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的空間功能分化?！碧祁？嫡f(shuō)，相比之前的方法，仿生硅化的手段沒(méi)有破壞綠藻正常的生命過(guò)程，能實(shí)現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫，在工藝上更具操作性與便捷性。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在試圖破解綠藻生長(zhǎng)失控的難題。“72小時(shí)以后，如果‘抱團(tuán)’的綠藻越來(lái)越多，綠藻團(tuán)就會(huì)解散，產(chǎn)氫的過(guò)程又會(huì)停止?！毙芡f(shuō)，他們正在尋找方法，能控制綠藻的繁殖，那樣就又離工業(yè)應(yīng)用近了一步。

本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 微藻博士 ?https://mp.weixin.qq.com/s/BP0wpKp8DfubJTsIDhqEzQ

綠藻在行光合作用時(shí)，會(huì)藉太陽(yáng)能來(lái)分解水，并釋放氧氣與制造生物質(zhì)，綠藻同時(shí)也是高效生物催化劑，能將太陽(yáng)能與二氧化碳轉(zhuǎn)換成維生素、抗氧化劑、聚合物和碳水化合物。

圖庫(kù)爾大學(xué) Yagut Allahverdiyeva-Rinne 分子植物生質(zhì)助理教授表示，以往研究先在黑暗的脫氧環(huán)境中孵育微藻細(xì)胞，之后再將細(xì)胞置于陽(yáng)光下制氫，不過(guò)高效制氫僅維持幾秒而已。

過(guò)往十幾年的研究中，科學(xué)家都認(rèn)為由氧引起的氫化酶（hydrogenase）為綠藻無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間制氫的主要障礙，資深研究員 Sergey Kosourov 指出，由于藻類(lèi)在光合作用過(guò)程中會(huì)不斷釋放氧氣，并同時(shí)制造氫氣，所以很難在陽(yáng)光下培養(yǎng)并維持缺氧條件。

因此圖爾庫(kù)大學(xué)研究員根據(jù)藻類(lèi)光合作用基礎(chǔ)知識(shí)，打造新型制氫方法。該方法不用將綠藻置于缺乏營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，因此也不需要對(duì)細(xì)胞施加任何壓力。研究員指出，只要透過(guò)將缺氧微藻暴露在強(qiáng)而短的光脈沖下（light pulses），便可顯著延長(zhǎng)制氫時(shí)間。

Kosourov 表示，暴露于脈沖下的藻類(lèi)不會(huì)在培養(yǎng)基中累積氧氣，藻類(lèi)也會(huì)將水分解產(chǎn)生的電子引導(dǎo)至制氫作用而不是生物累積（biomass accumulation），這效果可持續(xù)好幾天，高效制氫則可維持 8 小時(shí)。

研究顯示，高效制氫的障礙不是氧氣，而是細(xì)胞中兩個(gè)代謝途徑（metabolic pathway）在進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，分別是二氧化碳固定導(dǎo)致的生物累積與光生氫催化而成的氫化酶。

Allahverdiyeva-Rinne 指出，這項(xiàng)研究為打造高效活性細(xì)胞工廠（cell factories）開(kāi)辟新可能性，可用陽(yáng)光、二氧化碳和水制造生物燃料和不同的化學(xué)用品。該研究也同時(shí)提供避免生物質(zhì)「浪費(fèi)」太陽(yáng)能的方法，以及如何將這些能量直接用于制造生質(zhì)產(chǎn)品，對(duì)于藻類(lèi)光合作用基礎(chǔ)研究與大規(guī)模生產(chǎn)生質(zhì)燃料都很有幫助。

本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 微藻博士?綠藻太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成生物氫獲突破,達(dá)成高效制氫 8 小時(shí)

瘧疾是由瘧原蟲(chóng)引起的疾病，多由蚊子傳播，在熱帶及亞熱帶地區(qū)發(fā)病較多。瘧疾癥狀包括發(fā)熱、頭痛、嘔吐等，嚴(yán)重時(shí)可引起死亡。醫(yī)學(xué)界至今仍未研制出針對(duì)這種傳染病的有效疫苗，瘧原蟲(chóng)對(duì)殺蟲(chóng)劑和藥物的適應(yīng)能力卻與日俱增。目前，研究瘧疾疫苗的主要思路是找到允許瘧原蟲(chóng)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白質(zhì)，然后想辦法抑制這種蛋白質(zhì)的活動(dòng)。

科研中心的研究人員則采取了一種全新的思路，他們選取幾種對(duì)瘧原蟲(chóng)比較有效的抗原，將其與轉(zhuǎn)基因萊茵衣藻中提取出的一種名為ＧＢＳＳ的淀粉酶進(jìn)行混合，后者的特別之處在于能夠?qū)乖纬杀Ｗo(hù)。隨后，科研人員將這種混合物注入體內(nèi)含有瘧原蟲(chóng)的實(shí)驗(yàn)鼠，結(jié)果大多數(shù)實(shí)驗(yàn)鼠都沒(méi)有患上瘧疾，從而證明了這種新疫苗的有效性。

科研中心表示，研究人員接下來(lái)的任務(wù)是選取更多的瘧原蟲(chóng)抗原進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并考察新疫苗對(duì)人體免疫的功效以及是否會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的副作用。該成果已經(jīng)刊登在最新一期的美國(guó)《科學(xué)公共圖書(shū)館綜合卷》雜志上。

浙江大學(xué)求是高等研究院徐旭榮副教授課題組，聯(lián)合浙大化學(xué)系教授唐睿康、上海師范大學(xué)藻類(lèi)光合作用與生物能源轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室教授馬為民開(kāi)展了這項(xiàng)研究工作。???

沉睡的“氫酶”???

作為一類(lèi)零碳能源，氫能綠色環(huán)保，十分理想?？蓺錃鈴哪睦飦?lái)呢？當(dāng)前，氫氣主要來(lái)源于石化產(chǎn)業(yè)，從石油中制取?？茖W(xué)家們一直在探索，能否借助自然界中現(xiàn)成的“設(shè)備”，利用太陽(yáng)能分解水來(lái)產(chǎn)生氫氣？???

藻類(lèi)細(xì)胞的希望很大。30多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)綠藻細(xì)胞中除了進(jìn)行光合作用的光系統(tǒng)I和II以外，還存在著一種氫酶?！爱?dāng)氫酶被激活后，綠藻就能在進(jìn)行光合作用的時(shí)候產(chǎn)生氫氣，然而氫酶對(duì)氧氣非常敏感，在有氧的情況下，氫酶迅速失去活性。所以在正常光照條件下，綠藻通常是進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生氧氣。”徐旭榮老師說(shuō)，實(shí)際上氫酶被激活而產(chǎn)生氫氣，是綠藻應(yīng)對(duì)缺氧等“脅迫”狀況下產(chǎn)生的一種應(yīng)激反應(yīng)，能否對(duì)綠藻進(jìn)行改造，隔絕氧氣，重新“喚醒”氫酶呢？???

徐旭榮的合作者之一，化學(xué)系的唐?？到淌陂L(zhǎng)期從事生物礦化研究。他有一項(xiàng)“絕活”，即通過(guò)生物礦化手段，給細(xì)胞“穿”上一層外衣，從而賦予細(xì)胞不同的性能?！叭绻G藻也被‘包裹’起來(lái)，是否可以人為制造缺氧環(huán)境呢？”???

“綠藻俠”抱團(tuán)產(chǎn)氫???

課題組嘗試用二氧化硅去包裹綠藻。和預(yù)想不一樣的是，單個(gè)的綠藻細(xì)胞不能產(chǎn)氫，只是進(jìn)行正常的光合作用，產(chǎn)生氧氣。但他們“意外”發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)個(gè)“穿”著二氧化硅的綠藻逐漸粘合在一起，形成了一個(gè)個(gè)綠藻復(fù)合體時(shí)，在培養(yǎng)綠藻的試管上方，探針既探測(cè)到了氧氣，也探測(cè)到了氫氣。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在正常的光照條件下，綠藻團(tuán)能持續(xù)地產(chǎn)生氫氣，目前最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)72小時(shí)。???

“在電子顯微鏡下，我們看到直徑大約100微米的綠藻復(fù)合體，里面包含大約5000個(gè)左右綠藻。”課題組博士生熊威解釋說(shuō)，處于復(fù)合體內(nèi)部的那部分綠藻，因?yàn)榭臻g密閉，它們光合作用產(chǎn)生的氧氣恰好被呼吸作用消耗掉，不會(huì)有“多余”的氧氣去抑制氫酶?！巴鈱拥木G藻進(jìn)行正常的光合作用產(chǎn)生氧氣但同時(shí)隔絕內(nèi)部細(xì)胞和外界的接觸；內(nèi)部的綠藻通過(guò)光合產(chǎn)氧和呼吸作用的平衡制造出一個(gè)既能維持綠藻細(xì)胞光合活性但同時(shí)能夠激活氫酶的無(wú)氧條件，通過(guò)這樣的方式激活氫酶從而實(shí)現(xiàn)了光合產(chǎn)氫，其產(chǎn)氫效率等同于正常的光合作用?！???

在此之前，科學(xué)界也有讓綠藻產(chǎn)氫的各種嘗試。最經(jīng)典的要數(shù)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校學(xué)者的兩步法間接光解水制氫工藝，第一步是綠藻進(jìn)行光合作用，固定二氧化碳，釋放氧氣，獲得生物量的積累；第二步是在無(wú)硫、厭氧的環(huán)境中誘導(dǎo)氫酶的高表達(dá)。美國(guó)能源部認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)有望最終達(dá)到市場(chǎng)可接受的生產(chǎn)成本。???

“兩步法是從‘時(shí)間’上對(duì)產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行分隔來(lái)實(shí)現(xiàn)綠藻產(chǎn)氫，而我們的方法則是通過(guò)‘空間’上對(duì)產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過(guò)程進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的空間功能分化?！碧祁？嫡f(shuō)，相比之前的方法，仿生硅化的手段沒(méi)有破壞綠藻正常的生命過(guò)程，能實(shí)現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫，在工藝上更具操作性與便捷性。??? 目前，研究團(tuán)隊(duì)正在試圖破解綠藻生長(zhǎng)失控的難題?！?2小時(shí)以后，如果‘抱團(tuán)’的綠藻越來(lái)越多，綠藻團(tuán)就會(huì)解散，產(chǎn)氫的過(guò)程又會(huì)停止?！毙芡f(shuō)，他們正在尋找方法，能控制綠藻的繁殖，那樣就又離工業(yè)應(yīng)用近了一步。