作为地球上最古老的“居民”，蓝藻是最早出现的光合自养生物，它们通过释放自由氧，改变了地球早期的无氧环境，促成了地球的生命大爆发。蓝藻至今仍广泛分布于自然界，对地球生物化学循环有着重要贡献，在生物技术应用方面也极具潜力。不过，人们对其代谢及调控机制一直以来缺乏系统的认识。

解放日报·上观新闻记者获悉，北京时间2018年4月9日23时，国际权威学术期刊《自然·化学生物学》在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所杨琛研究组的最新研究。该研究首次发现了蓝藻的一条新型氮代谢途径——鸟氨酸-氨循环。这一发现有助于合成生物学家设计和改造蓝藻、实现二氧化碳到生物燃料和化学品的直接转化，同时为理解和提高农作物的氮素使用效率提供新的思路。

新陈代谢是生命最基本的特征。生物在长期的进化过程中，形成了相应的代谢系统及调控机制，来适应外界环境的变化。例如，陆生动物（包括人类）进化出了著名的鸟氨酸-尿素循环，用于处理食物中蛋白质（含丰富的氮元素）分解代谢所产生的大量氨，将氨转化为尿素后排出体外。然而，细菌和植物缺乏这一代谢途径，它们的天然生存环境中氮源往往匮乏，使其处于氮饥饿状态，它们又是如何存储氮元素的呢？

中科院合成生物学重点实验室副主任杨琛研究员告诉解放日报·上观新闻记者，研究发现蓝藻中的鸟氨酸-氨循环包含一步新的生化反应，即精氨酸水解生成鸟氨酸和氨。与人类“挥霍”氮元素不同，蓝藻就像个“守财奴”，一旦在氮源充足条件下，氮的存储会以最大速率进行；而在氮源匮乏时，该循环使得细胞中储存的氮迅速分解，从而满足细胞的生长需要。细胞内氮的“仓储”与“周转”对蓝藻适应生存环境极为重要，而该循环是实现该“物流”的核心线路。这一循环在蓝藻中广泛存在，包括许多海洋固氮蓝藻，它对于海洋氮固定乃至地球的氮循环都具有非常重要的贡献。

该研究中的一个核心技术是代谢流量组分析技术。如果将细胞代谢网络类比于上海地铁网络，那么代谢流量就是某地铁站某号线的单位时间客流量，而代谢物浓度则是该地铁站的乘客人数。然而，细胞内的代谢流量不能被直接检测，这就好比徐家汇地铁站出现了大客流，却难以知道是集中在1号线还是9号线，到底是从东到西还是从南至北的客流更大。杨琛研究员带领研究组经过10年的努力，针对各种生物体系开发了一系列稳态及动态代谢流量分析技术，建立了代谢流量组与代谢组分析技术平台，得以准确及时地掌握细胞代谢网络的运行情况，揭示关键代谢途径在不同条件下的流量变化，也为合成生物学、微生物学以及生物医学等研究提供了重要的技术支撑。