Alternative Carbon Fixation Pathways in Cyanobacteria

蓝藻中的替代碳固定途径

• 批准号: 1814189
• 金额: --
• 依托单位: Imperial College London
• 依托单位国家: 英国
• 项目类别: Studentship
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 英国
• 起止时间: 2016 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://gtr.ukri.org/projects?ref=studentship-1814189
• 关键词: Alternative; Carbon; Fixation; Pathways; Cyanobacteria

The carboxylation step of oxygenic photosynthesis is catalysed by Rubisco - converting RuBP, CO2, and H2O into 2 molecules of 3-PGA as per the Calvin (CBB) cycle [1]. Rubisco also catalyses a side-reaction with O2 (photorespiration), producing one molecule each of 3-PGA and 2PG [2,3]. This reaction is undesirable as 2PG is energetically costly to recycle [3,4] and inhibits central metabolic reactions [2,5,6,7], reducing the productivity of oxygenic photosynthesis.O2 is a competitive inhibitor of CO2 [8,9], hence increases to atmospheric CO2 should favour the Rubisco carboxylation reaction. However, as the rate of photorespiration increases with temperature [10], carbon assimilation is becoming less efficient due to global warming. This has impacts for agriculture - compounding the effects of pollution, desertification, and population growth on food security. At current atmospheric CO2 levels, photorespiration rates are approximately 25% [11]. Therefore, even if solutions to global warming are found, the capacity to improve on photosynthetic productivity remains. There are six known naturally occurring carbon fixation pathways [12]. Of these, only the 3-Hydroxypropionate bi-cycle (3HP) is oxygen tolerant [13,14,15] - and thus suitable to replace the CBB cycle. Oxygen tolerant synthetic carbon-fixation pathways are being developed [16].A cyanobacterium model organism (Synechocystis PCC. 6803) has been selected for this project, for ease of genetic manipulation and it's fast growth rate. As Synechocystis and plants perform photosynthesis in a similar way, this work is a proof of concept that can be adapted into plants. However, plants lacking carboxysomes [17], and not producing vitamin B12, vital to 3HP bi-cycle function, are could cause limitations to research translation [18]. The 3HP bi-cycle was modelled into Synechocystis using Flux Balance Analysis (FBA) and predicted a 30% growth rate improvement compared to the CBB cycle [19,20]. Further work is needed to validate results. A thermodynamic model for Rubisco will be produced to better study the photorespiration-temperature relationship [10]. A comparative genomics aspect of the work will be used to predict novel carbon-fixation pathways. This project will use the Golden-Gate modular cloning system to implement the 3HP bi-cycle into Synechocystis. The flexible design properties of this method should help address problems found during previous studies [19], and enable solutions to potential downstream problems. Due to limitations in adapting Golden Gate systems to Synechocystis in previous work [21], the Gibson assembly method will be used in parallel. Bibliography[1]Bassham, et al.1954. JACS.76,1160-1170. [2]Anderson.1971. BBA - Enzymology.235,237-244. [3]Bauwe et al.2010. Trends Plant Sci.15,330-336. [4]Maurino & Peterhansel.2010. Curr Opin Plant Biol.13, 249-256. [5]Busch.2013. Plant Biol.15, 648-655. [6]Peterhansel & Maurino.2011. Plant Physiol.155, 49-55. [7]Kelly & Latzko.1976. FEBS Lett.68, 55-58. [8]Bowes & Ogren.1972. JBC.247, 2171. [9]Peterhansel, et al.2010. ASPB. 8,e0130. [10]Ku & Edwards.1977. Plant Physiol.59, 986-990. [11]Busch.2013. Plant Biol.15, 648-655. [12]Bar-Even et al. 2010. PNAS.107, 8889-8894. [13]Herter et al.2002. J. Bacteriol.184, 5999-6006. [14]Herter et al.2002. JBC.277, 20277-20283. [15]Zarzycki et al.2009. PNAS.106, 21317-21322. [16]Schwander et al.2017. Science.354, 900-904. [17]Kaplan & Reinhold.1999. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol.50, 539-570. [18] Helliwell et al.2011. MBE.28(10), 2921-2933. [19]Cotton.2016. Introduction of an Alternative Carbon Fixation Cycle into Synechocystis sp. PCC 6803. Doctor of Philosophy(unpublished). Imperial College London. [20]Chua et al.2017. Flux Balance Analysis of Alternative Carbon Fixation Pathways and Photorespiration in Synechocystis sp. PCC 6803. PLOS(submission). [21] West.2017. Alternative Carbon Fixation Pathways in Cyanobacteria. MRes(unpublished). Imperial College London

含氧光合作用的羧化步骤由 Rubisco 催化 - 按照卡尔文 (CBB) 循环将 RuBP、CO2 和 H2O 转化为 2 分子 3-PGA [1]。 Rubisco 还催化与 O2 的副反应（光呼吸），产生 3-PGA 和 2PG 各一个分子 [2,3]。这种反应是不受欢迎的，因为 2PG 的回收消耗能量很大 [3,4] 并抑制中心代谢反应 [2,5,6,7]，降低含氧光合作用的生产力。O2 是 CO2 的竞争性抑制剂 [8,9]，因此大气中 CO2 的增加应该有利于 Rubisco 羧化反应。然而，随着光呼吸速率随着温度的升高而增加[10]，由于全球变暖，碳同化的效率变得越来越低。这对农业产生了影响——加剧了污染、荒漠化和人口增长对粮食安全的影响。在当前大气二氧化碳水平下，光呼吸率约为 25% [11]。因此，即使找到了全球变暖的解决方案，提高光合作用生产力的能力仍然存在。有六种已知的自然发生的碳固定途径[12]。其中，只有 3-羟基丙酸双循环 (3HP) 具有耐氧性 [13,14,15] - 因此适合取代 CBB 循环。耐氧合成碳固定途径正在开发中[16]。该项目选择了蓝藻模型生物（Synechocystis PCC.6803），因为其易于遗传操作且生长速度快。由于集胞藻和植物以类似的方式进行光合作用，这项工作证明了可以应用于植物的概念。然而，植物缺乏羧基体 [17]，并且不产生对 3HP 双循环功能至关重要的维生素 B12，可能会导致研究转化受到限制 [18]。使用通量平衡分析 (FBA) 将 3HP 双循环建模为集胞藻，并预测与 CBB 循环相比增长率将提高 30% [19,20]。需要进一步的工作来验证结果。将建立 Rubisco 的热力学模型，以更好地研究光呼吸-温度关系 [10]。这项工作的比较基因组学方面将用于预测新的碳固定途径。该项目将使用 Golden-Gate 模块化克隆系统将 3HP bi-cycle 植入集胞藻中。该方法灵活的设计特性应该有助于解决先前研究中发现的问题[19]，并能够解决潜在的下游问题。由于之前的工作[21]中将Golden Gate系统应用于集胞藻的限制，因此将并行使用Gibson组装方法。参考书目[1]Bassham 等人，1954 年。 JACS.76，1160-1170。 [2]安德森，1971。 BBA - 酶学.235,237-244。 [3]Bauwe 等人，2010。植物科学趋势.15,330-336。 [4]毛里诺和彼得汉塞尔.2010。当前植物生物学观点 13, 249-256。 [5]布希.2013。植物生物学 15, 648-655。 [6]彼得汉塞尔和莫里诺.2011。植物生理学.155, 49-55。 [7]凯利和拉茨科.1976。 FEBS Lett.68, 55-58。 [8]鲍斯和奥格伦.1972。 JBC.247, 2171。 [9]Peterhansel 等人，2010。 ASPB。 8、e0130。 [10]库和爱德华兹.1977。植物生理学.59, 986-990。 [11]布希.2013。植物生物学 15, 648-655。 [12]巴尔-埃文等人。 2010.PNAS.107, 8889-8894。 [13]Herter 等人，2002 年。 J.细菌学.184, 5999-6006。 [14]Herter 等人，2002 年。 JBC.277, 20277-20283。 [15]Zarzycki 等人，2009 年。 PNAS.106, 21317-21322。 [16]施万德等人，2017。科学.354, 900-904。 [17]卡普兰和莱因霍尔德.1999。年鉴植物生理学植物分子生物学 50, 539-570。 [18] Helliwell 等人，2011 年。 MBE.28(10), 2921-2933。 [19]棉花，2016。将替代碳固定循环引入集胞藻中。 PCC 6803。哲学博士（未出版）。伦敦帝国学院。 [20]Chua 等人，2017 年。集胞藻替代碳固定途径和光呼吸的通量平衡分析。 PCC 6803。PLOS（提交）。 [21] 韦斯特.2017。蓝藻中的替代碳固定途径。研究硕士（未发表）。伦敦帝国理工学院