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工业氮肥的施用满足了农作物高产的需求，但过度施用会导致土壤板结、水体富营养化等环境问题。流失的硝酸盐氮肥转化为二氧化氮，可能引发癌症、心脏病，并产生强于二氧化碳的温室效应。因此，工业氮肥的大量施用严重阻碍了农业的可持续发展。相比之下，生物固氮是大自然提供的天然绿色氮肥，通过少数原核微生物中的复杂固氮酶系统，在常温常压下将大气中的氮气转化为生物体可利用的氨。

将固氮酶系统直接导入植物细胞，使主要农作物具备自主固氮能力，从而摆脱对高耗能、高污染工业氮肥的依赖，一直是生物固氮研究领域实现“绿色革命”的梦想。

目前已知的固氮酶系统有三种，根据活性中心金属原子簇的不同，分为钼铁、钒铁和铁铁固氮酶系统，其中钼铁固氮酶系统活性最高，研究也最深入。然而，钼铁固氮系统通常需要十几个甚至几十个基因参与，且这些基因需协调表达才能实现功能，庞大的基因数目极大限制了将其导入植物细胞。因此，如何通过合成生物学方法简化固氮酶系统，是解决这一难题的关键。

为解决这一难题，王忆平课题组引入类似数学中“合并同类项”的思想，借鉴自然界植物病毒中常见的Polyprotein策略（即共转录共翻译，然后利用特异性蛋白酶剪切为各蛋白肽段进行组装），利用合成生物学手段成功将Polyprotein策略应用于高度复杂的钼铁固氮系统的简化。通过对系统进行多层次定量评估和漫长复杂的多轮排列组合，课题组成功将原本以6个操纵子（共转录）为单元、含有18个基因的产酸克雷伯菌钼铁固氮酶系统，转化为5个编码Polyprotein的巨型基因，并证明其高活性可支持大肠杆菌以氮气为唯一氮源生长。这一成果使新构建的固氮系统更符合未来向真核系统乃至农作物转化的需求，让人类看到了彻底摆脱工业氮肥的曙光。该研究以“Polyprotein strategy for stoichiometric assembly of nitrogen fixation components for synthetic biology”为题，于2018年在线发表于《美国科学院院刊》（PNAS）。结合前期国际同行及王忆平课题组已证明的植物功能模块，如铁硫原子簇合成模块（López-Torrejón et al., 2016, Nat Commun）、电子传递模块（Yang and Xie et al., 2017, PNAS）可功能替代固氮酶系统中对应模块的研究成果，理论上仅需3个巨型基因即可构建出能自主固氮的高等植物。

王忆平课题组的杨建国博士、谢夏青博士（现已留校）为共同第一作者，博士生相楠、田哲贤副教授提供了重要支持和帮助，北京大学生命科学学院王忆平教授与英国JIC研究中心Ray Dixon教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、科技部国家973重点基础研究发展计划、北京大学生科启东创新基金、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。