今日嘉宾
唐鸿志
上海交通大学生命科学技术学院/微生物代谢国家重点实验室长聘教授，博导
专家简介
唐鸿志，上海交通大学生命科学技术学院/微生物代谢国家重点实验室长聘教授、博士生导师。国家重点研发计划-合成生物学专项-“特殊环境微生物底盘细胞的设计与构建”项目负责人(首席科学家）。曾获国家自然基金委“优秀青年基金”（2014）、上海市“优秀学术带头人”（2020）、上海市“曙光学者”（2017）、上海市“青年科技启明星”（2013）。以第一作者或通讯作者在重要刊物（Nat. Commun.、Cell Discov.、Mol. Microbiol.、mBio、Environ. Microbiol.、PLoS Genet.、J. Biol. Chem.、mLife、Appl. Environ. Microbiol.等）发表论文50余篇，2016年获教育部自然科学一等奖，2020年获中国产学研合作促进会-产学研合作创新（个人）奖，2021年获中国发明协会“第十二届发明创业奖-人物奖”和“发明创业奖创新奖-二等奖”。担任中国微生物学会-环境微生物专业委员会和普通微生物专业委员会委员、中国生物工程学会-合成生物学分会委员、上海市生物工程学会理事、上海市生物工程学会-合成生物学专业委员会副主任委员等。
本期工程微生物学公众号有幸邀请到唐鸿志教授，与读者一起分享他在环境微生物相关领域的研究成果和展望。
唐老师，可否介绍一下您的研究经历和主要研究方向？
我的主要研究方向是多环芳烃和杂环芳烃的降解机理、环境微生物组与合成生物学在环境修复中的应用。
我的科研生涯开始于2003年，师从许平教授，在山东大学微生物技术国家重点实验室硕博连读。当时，许老师课题组刚准备开拓微生物降解环境污染物的分子机理这一研究方向，国内从分子生物学角度开展微生物降解机理的研究也比较少，所以科研过程中有一半以上的时间都是在摸索和建立实验技术体系。从大质粒的分离鉴定、基因组文库的构建、基因组测序分析，再到蛋白质功能的鉴定，受限于那时课题组的仪器设备、技术水平等，每一步对我来说都很艰难。为了应对这些难题，博士期间我到北方人类基因组中心学习了半年。经过不断的摸索尝试，最后还是利用最经典传统的分子生物学方法，通过基因组文库构建的方法找到了尼古丁吡咯途径降解的第一个酶，6-羟基-3-琥珀酰吡啶羟化酶，它可以催化6-羟基-3-琥珀酰吡啶生成2，5二羟基吡啶，这是我第一次真正意义上碰触到了微观编码基因和酶催化机制。相关的研究成果发表后产生了较大的影响，该工作受到Kenneth N. Timmis教授的高度认可，收录到著作Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology中。更重要的是，这一成果让我重拾了科研信心，坚定了自己的研究方向。
2008年博士毕业后，我入职了上海交通大学生命科学技术学院。在思考下一步的科研方向时，我和许平老师一致认为应该将微生物代谢尼古丁分子机理的课题深入下去，挖掘更多的功能基因，解析尼古丁代谢的完整途径。目标明确了，就坚定了方向，虽然路不好走，但脚步没有停下。虽然2008-2010年，我只发表了一篇文章，但是围绕尼古丁降解菌株及基因资源挖掘、功能解析的工作一直在进行。历经三年积累后，我以第一或通讯作者身份分别在遗传学顶级期刊PLoS Genetics、微生物学顶级期刊Molecular Microbiology、生物化学期刊The Journal of Biological Chemistry等杂志上发表了多篇文章。其中，在Molecular Microbiology上连续发表了5篇文章，此前中国科学家在此期刊上鲜有文章发表。进一步以N-杂环的降解为对象，在代谢途径解析、调控机制、蛋白质组学、基因组学、结构生物学等领域都取得了突破，对困扰人类50余年的尼古丁代谢途径做了完整解析，取得了一些国际同行认可的科研成果，如鉴定了尼古丁微生物降解的所有关键基因，完成了多个降解关键酶的催化机理解析，如具备分子减速器功能的NicA2蛋白；2, 5-二羟基吡啶双加氧酶NicX的氧气结合顶端位置的催化机理等。
请您介绍一下您现在开展微生物降解环境有毒污染物研究的主要思路？
前期我们做微生物降解有毒污染物的研究，主要是从特殊的环境中筛选获得降解菌株，测试最佳的降解条件，比如适宜温度、pH等；然后再通过分子克隆、基因组测序、基因异源表达、重组蛋白纯化、降解性能测试等手段验证不同基因的生理功能，同时鉴定各关键酶的催化产物，推测污染物降解的具体机制。随着分子生物学技术的不断发展，我们研究思路上也顺应时代发展进行了调整，比如降解基因资源的挖掘不局限于单一菌株基因组测序，而是在环境微生物组基础上挖掘降解关键基因，通过全基因合成的方式来验证目标基因的功能；进一步，降解污染物的微生物资源也不一定需要以筛菌的方式获取，而可以直接合成目标功能基因，整合至特殊环境底盘菌株中，使其发挥降解功能，从而获得人工合成降解菌株等。
唐老师，通过刚才的交流，发现您在微生物降解尼古丁的分子机制解析方面有非常多优秀的成果，您能重点介绍一下这方面的工作吗？
近两年，基于生物化学、结构生物学、计算生物学手段的降解机制解析是环境微生物领域的大趋势和研究热点。我跟大家分享一下我们团队最新的一篇文章研究内容。这篇文章做的是尼古丁代谢中间产物2,5-羟基吡啶DHP的代谢机制，DHP是许多吡啶衍生物分解代谢中的中间体，可导致DNA链断裂，是一种潜在的致癌物，可以被双加氧酶NicX催化开环转化为N-甲酰基马来酸。这个工作解析了NicX单体及NicX与小分子底物DHP及产物NFM的复合物结构。晶体结构显示NicX以包括Ser302在内四个氨基酸残基配位亚铁离子，如果将这四个残基突变则会使酶失去结合亚铁离子的能力，以Ser作为亚铁离子配体的非血红素亚铁双加氧酶的蛋白还属于首次报道。另外，我们将静息状态的酶同酶结合底物、酶结合产物的结构比较发现，氨基酸残基Leu104-His105在催化反应进程中，起到结合且稳定底物的作用，通过构象的变化会关闭通道II，同时开启一条通往活性中心的疏水性通道。进一步结合QM/MM计算分析，最后提出了氧气结合顶端位置的催化机制：氧气结合在底物和亚铁离子之间，通过底物吡啶环上的N-H参与质子转移激活氧气分子，促使氧气进攻底物，随后O-O键的断裂而使其中一个氧原子插入吡啶环形成七元环中间体，后续七元环开环生成产物。该成果发表在国际权威期刊Nature Communications上。
作为国内合成生物学青年领军人物，请您展望一下合成生物学在环境微生物降解方面的应用前景？
通过合成生物学的模块化改造可以获得理想的高效降解菌株，为微生物处理环境污染物提供了新的思路。总的来说可以分为两个方面：合成单菌、合成菌群。合成功能降解菌株就像前面提到的整合降解基因资源、环境适应性基因元件，使其能够适应特殊的生境、具有目标污染物的降解能力；合成菌群则面临代谢的复杂性和环境适应性等问题，需要考虑微生物间的相互作用、环境安全、基因水平转移等因素，根据“菌群仿生”的思路提高人工生物系统的效率和稳定性，借鉴“生物围堵”等设计策略，使用新的“底盘生物-质粒”系统，避免人工构建的降解基因发生水平转移等。同时，也可以将分子开关和生物传感器与污染物降解相结合，通过分子开关精确调节代谢途径，使细胞自动调节代谢平衡；通过生物传感器特定的生物识别元件感知目标代谢化合物变化，可控监测微生物降解污染物的动态过程，这些合成生物学研究对环境监测和污染物防控应该都有着重要意义。
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