Photobiological production of high-value pigments via compartmentalized co-cultures using Ca-alginate hydrogels
- 作者
- Runyu Zhao, Annesha Sengupta, Albern X. Tan, Ryan Whelan, Taylor Pinkerton, Javier Menasalvas, Thomas Eng, Aindrila Mukhopadhyay, Young-Shin Jun, Himadri B. Pakrasi, Yinjie J. Tang
- 杂志
- Scientific Reports（2022）
- DOI
- 10.1038/s41598-022-26437-y
- 所属领域
- 代谢工程与合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
解决光合自养蓝细菌与异养工程菌共培养时存在的相互抑制问题（如活性氧胁迫、光照遮蔽、生长条件不兼容）以及产物分离困难，实现利用CO2和光能生产高值色素。
研究策略
将产蔗糖的蓝细菌Synechococcus elongatus UTEX 2973游离培养在光生物反应器中，同时将产indigoidine的Pseudomonas putida或产β-胡萝卜素的Yarrowia lipolytica封装在Ca-藻酸盐水凝胶珠中，形成区室化共培养体系；添加蔗糖酶将蓝细菌分泌的蔗糖水解为葡萄糖和果糖供异养菌利用；水凝胶保护细胞和光敏产物，反应结束后用EDTA溶解水凝胶回收胞内产物。
核心内容
针对光合蓝细菌与异养工程菌共培养中存在的生长条件不兼容、活性氧胁迫及产物光降解等问题，该研究构建了一种基于Ca-藻酸盐水凝胶的区室化共培养体系。产蔗糖的蓝细菌Synechococcus elongatus UTEX 2973游离培养于光生物反应器中，而产indigoidine的Pseudomonas putida或产β-胡萝卜素的Yarrowia lipolytica被封装于水凝胶珠内，通过添加蔗糖酶将蓝细菌分泌的蔗糖水解为葡萄糖和果糖供异养菌利用。结果显示，封装共培养的indigoidine和β-胡萝卜素产量分别达到7.5 g/L和1.3 g/L水凝胶体积，较游离共培养提高15倍和22倍；水凝胶显著保护细胞和光敏产物免受高温及抗生素胁迫，游离菌在一天内失活而封装菌存活至少六天。此外，13C代谢分析表明封装不损害细胞代谢活性，蓝细菌培养液可重复利用。该系统有效解决了光养-异养共培养中的物种不相容和产物降解问题，为利用CO2和光能可持续生产高值色素提供了可行的过程工程策略。
创新点
['采用Ca-藻酸盐水凝胶封装异养工作菌而非蓝细菌，实现光养-异养区室化共培养，避免种间直接接触带来的胁迫。', '水凝胶同时保护异养细胞和光敏色素（如β-胡萝卜素）免受ROS和光照降解，且可通过EDTA可逆溶解实现产物分离。', '利用13C代谢分析证明水凝胶内细胞代谢与游离细胞几乎一致，说明封装不损害代谢活性。', '蓝细菌培养液可重复使用，水凝胶珠易于回收，实现连续批次生产。']
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechococcus elongatus UTEX 2973 | 光合作用/蔗糖合成 | — | — | 能量供给 | 自养模块，通过光合作用固定CO2并分泌蔗糖（1.9 g/L/天），为异养菌提供碳源和能量；游离培养于光生物反应器中。 |
| Pseudomonas putida | indigoidine合成 | — | — | 催化 | 工程菌生产蓝色色素indigoidine，封装于Ca-藻酸盐水凝胶中；在共培养中产量达7.5 g/L水凝胶。 |
| Yarrowia lipolytica | β-胡萝卜素合成（类胡萝卜素途径） | — | — | 催化 | 工程菌生产橘色β-胡萝卜素，封装于Ca-藻酸盐水凝胶中；在共培养中产量达1.3 g/L水凝胶。 |
| Escherichia coli | 异源蛋白表达 | yfp | 黄色荧光蛋白（YFP） | 调控 | 用于验证水凝胶共培养方法的通用性；水凝胶共培养中YFP荧光信号最高，存活细胞数为游离共培养的10000倍。 |
| 无（商业酶） | 蔗糖水解 | — | 蔗糖酶（invertase） | 催化 | 外源添加的酶，将蔗糖水解为葡萄糖和果糖，促进异养菌利用蓝细菌产生的蔗糖；最适添加浓度0.01 g/L。 |
关键发现
- 在含蔗糖酶的水凝胶共培养体系中，indigoidine产量达7.5±0.7 g/L水凝胶体积，β-胡萝卜素产量达1.3±0.3 g/L水凝胶体积，分别比无封装的游离共培养高15倍和22倍
- 游离共培养的P. putida细胞密度虽从2×10^7增至1.73×10^8 CFU/mL，但indigoidine产量不增加
- 游离Y. lipolytica的β-胡萝卜素产量随培养时间下降，而水凝胶内产量升高。共培养前蓝细菌已积累2.1 g/L蔗糖，6天后降至0.4 g/L以下。在35°C和10 μg/mL卡那霉素胁迫下，游离P. putida和Y. lipolytica一天内失活，而水凝胶内细胞存活至少6天。水凝胶内E. coli的YFP荧光信号高于游离共培养，且第2天存活细胞数为游离共培养的10000倍。
研究结论
Ca-藻酸盐水凝胶区室化共培养系统能够有效解决光养-异养共培养中的物种不相容和产物降解问题，实现高值色素的可持续生产，且水凝胶可重复使用，为光合生物制造提供了可行的过程优化策略。