Photosynthetic terpene hydrocarbon production for fuels and chemicals
- 作者
- Xin Wang, Donald R. Ort, Joshua S. Yuan
- 单位
- Department of Plant Pathology and Microbiology, Texas A&M University; Synthetic and Systems Biology Innovation Hub, Texas A&M University; Institute for Plant Genomics and Biotechnology, Texas A&M University; Global Change and Photosynthesis Research Unit, USDA/ARS; Institute for Genomic Biology, University of Illinois
- 杂志
- Plant Biotechnology Journal（2015）
- DOI
- 10.1111/pbi.12343
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
有效将光合作用固定的碳和还原力重定向到萜烯生物合成途径，实现光合产萜烯用于生物燃料和化学品。
研究策略
系统分析光合产萜烯从'源'到'汇'的四个关键技术障碍：提高光合效率、微调MEP途径、优化关键萜烯酶、设计产物储存或分泌，并整合合成生物学工具进行系统优化。
核心内容
该研究系统分析了光合生物直接合成萜烯烃的技术瓶颈，并提出了整合源–汇多模块的优化框架。作者比较了异养微生物（大肠杆菌、酿酒酵母）和光合宿主（集胞藻、聚球藻、鱼腥藻、莱茵衣藻及高等植物）中的萜烯产量，指出光合系统虽能直接利用太阳能固定碳，但产量普遍低于异养体系，例如大肠杆菌MEP途径可产紫杉二烯约1000 mg/L，而集胞藻产异戊二烯仅0.25 mg/g DCW。在此基础上，研究围绕四大关键障碍展开策略：提升光合效率、微调MEP途径碳通量、优化关键萜烯合酶活性、设计产物储存或分泌机制，并借助MAGE、微流控高通量筛选等合成生物学工具进行系统整合。结果表明，过表达DXS等限速酶可将集胞藻中β-水芹烯提高至约250 μg/g DCW，证明底物通道与区室化工程对缓解代谢竞争具有显著作用。该工作凸显了光合产萜烯的可行性与挑战，为通过多模块协同优化实现可再生生物燃料的高效生产提供了可借鉴的系统性路线。
创新点
提出光合作用- MEP- 萜烯合成（PMT）多模块系统整合框架；利用合成生物学技术如MAGE、微流控高通道筛选等优化光合产萜烯平台；强调底物通道和区室化在提高途径效率中的作用。
研究对象（12）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Escherichia coli | MEP | dxs, ispD, ispF, ispE | DXS, IspD, IspF, IspE | 催化 | 通过启动子替换解除限速，β-胡萝卜素产量达6 mg/g DCW |
| Escherichia coli | 外源MVA | MVA途径基因 | MVA途径酶 | 催化 | 产红没药烯>900 mg/L，柠檬烯400 mg/L |
| Saccharomyces cerevisiae | 外源MVA | MVA途径基因 | MVA途径酶 | 催化 | 产红没药烯<900 mg/L |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP | ispS | 异戊二烯合酶 | 催化 | 异戊二烯产量0.25 mg/g DCW |
| Synechococcus sp. PCC 7002 | MEP | limonene synthase | 柠檬烯合酶 | 催化 | 柠檬烯产量4 mg/L |
| Anabaena sp. PCC 7120 | MEP | dxs, ipphp, gpps, limonene synthase | DXS, IPP/DMAPP合酶, 香叶基二磷酸合酶, 柠檬烯合酶 | 催化 | 柠檬烯产量172.7 μg/L |
| Chlamydomonas reinhardtii | MEP | limonene synthase | 柠檬烯合酶 | 催化 | 柠檬烯产量<10 μg/L |
| 烟草（Nicotiana tabacum） | MEP/MVA | limonene synthase, squalene synthase | 柠檬烯合酶, 角鲨烯合酶 | 催化 | 柠檬烯约500 ng/g FW，角鲨烯约1.76 mg/g FW |
| 番茄（Solanum lycopersicum） | MEP | taxadiene synthase | 紫杉二烯合酶 | 催化 | 紫杉二烯约400 μg/g DW |
| Botryococcus braunii | MEP | — | — | 催化 | 天然积累烃类可达干重的75%，作为高效模型 |
| 体外/合成酶复合物 | MVA | — | 蛋白支架（scaffoldin） | 区室化 | 合成蛋白支架将途径酶组装实现底物通道，提高效率 |
| 集胞藻PCC 6803 | MEP/转运 | ABC转运蛋白基因 | ABC转运蛋白 | 转运 | 膜嵌合ABC转运蛋白用于分泌三萜和四萜 |
关键发现
- 异养系统中，大肠杆菌MEP途径产紫杉二烯约1000 mg/L，产红没药烯>900 mg/L，柠檬烯400 mg/L，蒎烯32 mg/L
- 酿酒酵母产红没药烯<900 mg/L。光合系统中，集胞藻PCC 6803产异戊二烯0.25 mg/g DCW，角鲨烯0.67 mg/L/OD750
- 聚球藻PCC 7002产柠檬烯4 mg/L、红没药烯0.6 mg/L
- 鱼腥藻PCC 7120产柠檬烯172.7 μg/L
- 集胞藻产β-水芹烯约0.25 mg/g DCW
- 莱茵衣藻产柠檬烯<10 μg/L
- 烟草产角鲨烯约1.76 mg/g FW、柠檬烯约500 ng/g FW、异戊二烯12-25 nmol/m2/s
- 番茄产紫杉二烯约400 μg/g DW。通过DXS等过表达，集胞藻中β-水芹烯最高约250 μg/g DCW。
研究结论
光合萜烯生产需系统整合光合作用改进、MEP途径优化、关键酶改造及储存分泌增强等多个模块，借助合成生物学工具可实现高效、高兼容性的生物燃料和生物产品。