光合玫瑰菌3-羟基丙酸循环固碳途径的分子机制

Roseiflexus castenholzii is a novel thermophilic filamentous anoxygenic photosynthetic bacterium. It assimilates carbon dioxide and small molecular organics through 3-hydroxypropionate (3-HP) cycle instead of the Calvin cycle for photoautotrophic growth, which benefits depollution of the environment. As a new type of autotrophic carbon fixation pathway, 3-HP cycle is a two cycle-coupled metabolic process. The first cycle starts from acetyl coenzyme A (acetyl-CoA), fixing two molecules of bicarbonate to produce one molecule glyoxylate. In the second cycle, glyoxylate is combined with propionyl-CoA (an intermediate from the first cycle) in a disproportionation reaction, to produce acetyl-CoA and the central metabolic intermediate pyruvate. The whole cycle includes 19 reactions, but is catalyzed by only 13 enzymes, several multifunctional enzymes constitute a simple but efficient catalytic system. This proposal will deeply investigate the structure, catalytic mechanism and regulation of the essential key enzymes of 3-HP cycle, through multiple approaches including structural biology, enzymology, molecular dynamic simulations, rational design and so on. We aim to elucidate the molecular mechanism of the 3-hydroxypropionate cycle for carbon fixation, providing theoretic support for the green production of 3-HP, and application of the 3-HP cycle in bio-carbon fixation and environment depollution.

光合玫瑰菌是一种独特的嗜热丝状不产氧光合细菌，通过3-羟基丙酸（3-HP）循环取代卡尔文循环，吸收环境中的二氧化碳和小分子有机物作为碳源进行光合自养，有助于净化环境。作为一种新型的自养固碳途径，3-HP循环是一个双循环偶联的代谢过程。第一个循环始于乙酰辅酶A，固定2分子碳酸氢根形成1分子乙醛酸；第二个循环中，乙醛酸与第1个循环的中间物丙酰辅酶A发生歧化反应，生成乙酰辅酶A和代谢通用反应物丙酮酸。整个循环包括19步反应，却只有13种酶参与催化，几种多功能酶构成了简洁高效的催化体系。本项目将综合运用结构生物学、酶学、分子动力学模拟和合理设计等多种方法，对3-HP循环中重要关键酶的结构、催化机制和调控机理进行深入研究，阐明3-HP循环固碳途径的分子机制，为3-HP的绿色生产，以及3-HP循环在生物固碳和环境治理中的应用提供理论依据。

3-羟基丙酸（3-hydroxypropionate，3-HP）循环是一种存在于丝状不产氧光合细菌中的自养固碳途径。与自然界其他固碳途径不同，3-HP途径通过偶联两个循环充分利用产物和中间物：第一个循环始于乙酰辅酶A，固定2分子碳酸氢根生成1分子乙醛酸；第二个循环同化乙醛酸与丙酰辅酶A生成乙酰辅酶A和丙酮酸。整个循环包括19步反应，却只有13种酶参与催化，几种多功能酶构成了一套简洁高效的催化体系。然而3-HP循环的催化机理仍不清楚，极大地限制了其在生物固碳和3-HP合成中的应用。本项目综合运用冷冻电镜和X-射线晶体学、酶学和分子动力学模拟等方法，通过对光合玫瑰菌和光合绿丝菌3-HP循环中5个特征酶的高分辨率结构和作用机制研究，系统揭示了3-HP途径固碳的关键反应机理。我们首先发现了异质型乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）一种独特的组装和催化机制：通过融合一个生物素羧基载体蛋白（BCCP）结构域，生物素羧化酶（BC1）与生物素羧基转移酶（CTα-CTβ）直接结合，催化乙酰CoA羧化为丙二酰CoA。我们接着阐明了双功能的丙二酰CoA还原酶（MCR）催化丙二酰CoA合成3-HP的结构基础，为重构ACCase和MCR进行3-HP的生物合成提供了理论依据。我们还揭示了3-HP循环中首次发现的中康酰辅酶A C1-C4转移酶（MCT）催化分子内酰基转移的反应机理；阐明了三功能的苹果酰CoA裂解酶（MCL）选择和催化多种底物的分子机制，丰富了CitE-like超家族蛋白功能的多样性。此外，我们解析了琥珀酸还原酶（SDH）的冷冻电镜结构和催化活性，揭示了醌：金色蓝素氧化还原酶（ACIII）偶联氢醌氧化、电子传递和质子转运的机制。这些工作为研究3-HP循环和电子传递链之间的协同关系奠定了坚实的基础，有助于扩展自然界固碳机制的多样性和分子进化理论，推动其在生物固碳、绿色化工和环境治理中的应用。