Engineered cyanobacteria with enhanced growth show increased ethanol production and higher biofuel to biomass ratio
- 作者
- Feiyan Liang, Elias Englund, Pia Lindberg, Peter Lindblad
- 单位
- Microbial chemistry, Department of Chemistry-Ångström, Uppsala University, Box 523, SE-751 20 Uppsala, Sweden
- 杂志
- Metabolic Engineering（2018）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2018.02.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
蓝藻中卡尔文循环固定CO2效率低，且引入的乙醇合成通路可能成为主要瓶颈，如何在增强碳固定的同时提高乙醇产量和总生物量，并提升生物燃料与生物量的比例。
研究策略
在集胞藻Synechocystis PCC 6803中，利用诱导型启动子PnrsB驱动表达乙醇合成酶PDC和ADH，并分别共过表达四种CBB循环酶RuBisCO、FBP/SBPase、TK和FBA，在65 μmol photons m-2 s-1和低光（15 μmol photons m-2 s-1）条件下比较各菌株的生长、乙醇产量、总生物量及乙醇占比。
核心内容
本研究在集胞藻Synechocystis PCC 6803中，利用诱导型启动子PnrsB驱动乙醇合成酶PDC和ADH表达，并分别共过表达四种卡尔文循环关键酶（RuBisCO、FBP/SBPase、TK、FBA），在65和15 μmol photons m⁻² s⁻¹两种光强下系统比较各菌株的生长、乙醇产量与总生物量。结果显示，在65 μmol光强下，过表达RuBisCO、FBP/SBPase、TK和FBA的菌株乙醇产量较仅表达乙醇途径的EtOH菌株分别提高55%、67%、37%和69%，总生物量（干重加乙醇）提高7.7%至15.1%，乙醇占总生物量比例从EtOH菌株的30.2%升至最高47.4%（FBA）。培养第3天，共过表达菌株总生物量较EtOH菌株高33%~39%；培养末期各产乙醇菌株总生物量较空载体对照高38.8%~59.7%。低光条件下乙醇产量提高36%~55%，而无诱导时乙醇产量仅为EtOH菌株约2%，与PDC蛋白水平一致。结果表明，当乙醇合成通路非主要瓶颈时，增强碳固定可显著提升产物产量并将更多碳流导向目标产物，为蓝藻生物燃料生产提供策略。
创新点
首次系统比较四种CBB循环关键酶（RuBisCO、FBP/SBPase、TK、FBA）过表达对蓝藻乙醇生产的影响；证实当产物合成通路不是主要瓶颈时，增强碳固定能显著提高产物生成；并发现乙醇占总生物量比例随CBB酶过表达而升高。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis PCC 6803 | Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环 | rbcSC (slr0009-slr0011-slr0012) | RuBisCO (核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶) | 催化 | 过表达，增强CO2固定 |
| Synechocystis PCC 6803 | Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环 | 70glpX | FBP/SBPase (果糖-1,6-/景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶) | 催化 | 来自Synechococcus PCC 7002，过表达 |
| Synechocystis PCC 6803 | Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环/氧化戊糖磷酸途径 | tktA (sll1070) | TK (转酮醇酶) | 催化 | 过表达 |
| Synechocystis PCC 6803 | Calvin-Benson-Bassham (CBB)循环/糖酵解 | fbaA (sll0018) | FBA (果糖-1,6-二磷酸醛缩酶) | 催化 | 过表达 |
| Synechocystis PCC 6803 | 乙醇合成途径 | pdc (来自Zymomonas mobilis) | PDC (丙酮酸脱羧酶) | 催化 | 由PnrsB诱导型启动子驱动 |
| Synechocystis PCC 6803 | 乙醇合成途径 | adh (slr1192) | ADH (乙醇脱氢酶) | 催化 | 由PnrsB诱导型启动子驱动 |
关键发现
- 在65 μmol photons m-2 s-1光强并诱导PnrsB条件下，与仅表达乙醇合成途径的EtOH菌株相比，过表达RuBisCO、FBP/SBPase、TK和FBA的菌株（EtOH-rbcSC、EtOH-70glpX、EtOH-tktA、EtOH-fbaA）乙醇产量分别提高55%、67%、37%和69%
- 总生物量（干重+乙醇）分别提高7.7%、15.1%、8.8%和10.1%。乙醇占总生物量比例从EtOH菌株的30.2%分别提高到43.6%（rbcSC）、45.2%（70glpX）、38.4%（tktA）和47.4%（fbaA）。培养第3天，四种共过表达菌株的总生物量较EtOH菌株分别高33%、39%、38%和34%
- 培养末期，各产乙醇菌株总生物量较空载体对照高38.8%~59.7%。低光（15 μmol photons m-2 s-1）诱导条件下，四种菌株乙醇产量分别比EtOH提高36%、39%、38%和55%。无诱导时，共过表达CBB酶菌株的乙醇产量仅为EtOH菌株的约2%（65 μmol光强），PDC蛋白含量与乙醇产量一致。
研究结论
当乙醇合成通路不是主要瓶颈时，在蓝藻中过表达CBB循环酶（RuBisCO、FBP/SBPase、TK、FBA）能显著增强乙醇产量和总生物量，并提高乙醇占总生物量的比例，说明增强碳固定可以将更多碳流导向目标产物。