CO₂的固定（fixation）是把CO₂转变为还原性有机化合物的过程，研究此问题有助于缓解工业化以来造成的全球碳循环失衡，改善日益严重的气候变暖和环境污染问题。固定CO₂主要有物理法、化学法和生物学方法。大多数物理法和化学法能量消耗较大，且物理法固定的CO₂最终都必须结合生物法将其转化为有机碳。

目前已经发现生物界存在6种固定CO₂的途径。第1种是还原磷酸戊糖途径（Reductive pentose phosphate pathway），又称卡尔文循环，CO₂ 和1,5-二磷酸核酮糖反应生成两分子3-磷酸甘油酸，最终经过六次循环而生成一分子葡萄糖。这个途径广泛存在于绿色植物、蓝细菌、绝大多数光合细菌和全部好氧的化能自养细菌中。第2 种是还原柠檬酸循环（Reductive citric acid cycle)，又称逆向TCA 循环。这种途径消耗较少的能量，包含一些对氧非常敏感的酶，因此主要存在于厌氧菌或氧气含量极低环境下生存的需氧菌中，如少数光合紫细菌和绿硫细菌。第3 种是厌氧乙酰辅酶A途径 （Anaerobic acetyl-CoA pathway），又称Wood途径或活性乙酸途径，主要存在于乙酸菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌等化能自养的厌氧细菌和古生菌中。这条途径可能是生命形成初期合成有机物的重要方式，仅消耗两分子CO2即能合成乙酸，比卡尔文循环更经济快捷。第4 种是近年才发现的3-羟基丙酸循环（3-hydroxypropionate cycle），存在于绿色非硫细菌，又称为丝状不产氧光合细菌（Filamentous Anoxygenic Phototrophs，FAPs）中，它们以此循环取代卡尔文循环进行光合自养。最新在泉古生菌中发现了另外两种CO2固定途径：3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环（3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate cycle）和二羧酸/4-羟基丁酸循环（dicarboxylate/4-hydroxybutyrate cycle），两者存在一些相同的反应步骤。

在上述6种CO₂固定途径中，3-羟基丙酸循环作为一种新型的自养固碳途径，具有与其他固碳途径显著不同的鲜明特点：（a）它是一个双循环偶联的代谢过程，通过两个循环充分利用产物和中间物；（b）途径中涉及19 步反应，但只需13 种酶，几个多功能酶构成一个简洁高效的催化体系，这在其他自养途径中并不常见；（c）3-羟基丙酸是一种重要的化学中间体，用来合成丙烯酸、丙二酸和1,3-丙二醇等许多重要的化工产品，被称为世界上最具开发潜力的化工产品之一。3-羟基丙酸的化学合成能耗高、污染大、成本高、效率较低，且副产品多。生物合成法制备3-HP逐渐成为国际上最瞩目的研究方向之一，如以谷物类碳水化合物生产3-羟基丙酸，利用转基因工程菌转化甘油、丙酸等底物来生产3-羟基丙酸等。然而，目前已研究过的十余种生物合成途径中，只有FAPs中存在的3-羟基丙酸途径是唯一利用自养方式进行的，具有不可比拟的优势。此外，3-羟基丙酸循环是自然界唯一对氧气不敏感的固碳途径，合成重要的代谢产物和化学中间体，并吸收环境中的有机小分子以净化环境，在绿色化工和环境治理中都具有广阔的应用前景。但至今还没有3-羟基丙酸循环催化机理的相关报道。

围绕3-羟基丙酸循环这一新型固碳途径的催化机制及其调控机理，我们综合运用结构生物学、分子动力学模拟、酶的活性测定和饱和突变等方法，阐明了光合玫瑰菌3-羟基丙酸循环中苹果酰辅酶A裂解酶（MCL）催化三步不同酶促反应的结构基础【Biochem Biophys Res Commun. 2019】；明确了乙酰CoA羧化酶（ACCase）和丙二酰CoA还原酶（MCR）生成3-羟基丙酸的反应机理，为以光合玫瑰菌为底盘菌合成3-羟基丙酸等重要化工产品提供了理论依据。

课题组拟利用跨学科的多种方法研究此循环中关键酶的结构、催化机理及其协同关系，通过基于结构的酶分子理性设计和合成生物学方法，为3-羟基丙酸的绿色生产、此新型固碳途径在改善生物CO₂固定和转化、治理环境污染方面的应用提供理论依据。此课题已获得2项国家自然科学基金项目（32000034和31870740）的资助。

光合玫瑰菌“3-羟基丙酸循环”的作用机制