藍桿藻能成為便宜的再生能源

Benchmark cyanobacterium sequenced could be cheap renewable energy source
http://www.physorg.com/news140880643.html

September 17, 2008

(PhysOrg.com) -- 一個由華盛頓大學聖路易分校（WUSTL）的生物學家所領軍的研究團隊，將某種獨特細菌的基因組定序，在每日二種有所區別的週期中，設法在一個小細胞內辦到二種不同的作用 -- 光合作用與氮固定。

Himadri B. Pakrasi, Ph.D.、George William 與 Irene Koechig 教授，帶頭將藍桿藻 ATCC 51142（Cyanothece sp. ATCC 51142）的基因組定序，以了解此物種產生乙醇與氫的能力，也因而讓它有潛力能變成一種廉價的再生能源。

藍綠藻是唯一已知具生物時鐘（circadian clock，晝夜時鐘）的細菌。在白天，藍桿藻細胞為了光合作用與糖的製造會增加基因表現；在夜晚它們有月光，躍升的基因表現則統治能量代謝、氮固定以及呼吸作用。

Pakrasi 等人發現，在該生物的基因組中出現一種罕見線狀染色體（linear chromosome），這在藍綠藻中是頭一個。更進一步的檢查發現，這個染色體有 43 萬個鹼基長且包含九個一串的基因，為涉及丙酮酸鹽類（pyruvate）代謝的酵素編碼，那是讓藍桿藻 51142 產生乳酸鹽（lactate）與其他重要化合物的基礎。

藍桿藻 51142 有一個大環型染色體、一個線狀染色體以及四個小質體。


比較基因組

"這是第一次有任何像這樣的事在行光合作用的細菌中被發現。對細菌而言有線狀染色體相當罕見，" Pakrasi 說。"它們近乎 100% 沒有那東西。現在，我們有了這種生物的基因組，那賦予我們一幅一切可能發生在此細胞之內事物的完整圖像。細胞繁盛、增殖與死亡的方式全都決定在這個基因組中。"

"對於這些藍綠藻物種而言，這是基準（benchmark）、原型。現在，我們能回溯這幅完整的圖像並比較它的兄弟姊妹生物，以發掘它們的天資還有缺陷。這是比較基因組學，" Pakrasi 說。

結果發表在 9/15 該週的 PNAS 線上版。與 WUSTL 合作的單位為 PNNL、聖路易大學醫學院與普渡大學。這項計畫由 WU 的 Danforth 基金會與 NSF 所資助。同時也是 W.R. Wiley 環境分子科學實驗室（EMSL）膜生物學EMSL 科學大挑戰計畫的一部份。該計畫由位在 PNNL 的美國能源部生物與環境研究計畫辦公室所贊助。這項研究主要資金來自於 EMSL。

研究者發現，在線狀染色體上大多數的蛋白質都是假設性的，但基因串（gene cluster）是種重要的發現。

"線狀染色體包含乳酸鹽脫氫酶（lactate dehydrogenase），那促進這種生物的其中一種發酵能力，" Jana Stockel, Ph.D.，WUSTL 博士後，他與 Pakrasi 以及 WUSTL 博士後 Michelle Liberton, Ph.D. 以及 ric Welsh, Ph.D. 一同研究。

"在與 PNNL 的蛋白體（proteomics）小組結合下，我們能證明，線狀染色體中的許多基因事實上正在表現蛋白質，" Liberton 說。"那並非只是一段 DNA 待在那裡。轉錄與轉譯正在發生。"


尋找做粗活的

比較基因組學是 Pakrasi 下一輪研究的主題。他的實驗室收到來自美國能源部的輔助金要將其他六種藍桿藻的基因組定序，尋找最佳的一種來製造氫。

"目標是在這七種當中尋找做製氫粗活的，" Pakrasi 說。"研究一直在進行，而且我預期大約在一年內我們將學到更多。我們將比較功能與組織。"

這些品種，有兩種分離自台灣的水稻田，一種來自印度的水稻田，另外三種則來自深海，彼此有親緣關係，但每一種都來自於不同的環境背景，且新陳代謝也許互異。因此，一種或以上的品種也許有生物學上的天賦，提供他者所沒有的，抑或結合這些不同品種的特徵，能提供最有效形態的生物能（bioenergy）。

多達四家國家實驗室將涉及將其他藍綠藻定序的各種階段：PNNL、Joint Genome Institute（Lawrence Livermore 實驗室的一部份）、ORNL 與 Los Alamos 實驗室。

Cyanothece 51142 在 WUSTL 的基因組定序中心被定序，位於 WUSTL 醫學院。根據 Pakrasi 表示，論文共同作者 Richard K. Wilson, Ph.D.，該中心主任，Jeffrey I. Gordon, M.D.，WUSTL 醫學院的分子生物學與藥理學系，具有獨創性的遠見將 Cyanothece 51142 定序。

"他們想要一種試驗計畫並帶入 Danforth 基金會的資助讓計畫繼續下去，" Pakrasi 說。"要不是他們的遠見與最初的投資，來自於國家實驗室的關注與支持將不會是那樣。超過四年之前，當我們考慮關於藍桿藻時，我們對於該生物的潛力並沒有太多概念。今日，那全都變成某種比我們所認為還要大上許多的事物。"

※ 相關報導：

＊ ＊ The genome of Cyanothece 51142, a unicellular diazotrophic cyanobacterium important in the marine nitrogen cycle
http://www.pnas.org/content/105/39/15094

Eric A. Welsh, Michelle Liberton, Jana Stockel, Thomas Loh,
Thanura Elvitigala, Chunyan Wang, Aye Wollam,
Robert S. Fulton, Sandra W. Clifton, Jon M. Jacobs,
Rajeev Aurora, Bijoy K. Ghosh, Louis A. Sherman,
Richard D. Smith, Richard K. Wilson, and Himadri B. Pakrasi
PNAS September 30, 2008 vol. 105 no. 39 15094-15099
doi: 10.1073/pnas.0805418105

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