Engineering a platform for photosynthetic isoprene production in cyanobacteria, using Synechocystis as the model organism
- 作者
- Pia Lindberg, Sungsoon Park, Anastasios Melis
- 单位
- Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley, CA 94720-3102, USA
- 杂志
- Metabolic Engineering（2009）
- DOI
- 10.1016/j.ymben.2009.10.001
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用单一光合微生物，通过光合作用直接将CO2和水转化为挥发性异戊二烯烃，实现“光合生物燃料”的概念，避免生物质收获、脱水等步骤。
研究策略
将野葛（Pueraria montana）异戊二烯合酶（IspS）基因异源表达于集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中，并对基因进行密码子优化，利用光合作用psbA2启动子驱动表达，通过同源重组整合到基因组中。
核心内容
该研究以集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803为底盘，将来自野葛的异戊二烯合酶基因异源表达于蓝藻中，利用光合作用直接将CO2和水转化为挥发性异戊二烯烃。研究者对IspS基因进行了密码子优化，由光诱导的psbA2启动子驱动表达，并通过同源重组将其整合至基因组。在封闭培养体系的顶空中检测到异戊二烯产生，初步产量约为50微克异戊二烯每克干重每天。密码子优化使IspS蛋白表达水平较未优化版本提高了约10倍，且光强度依赖的启动子实现了对异戊二烯合成的光照调控。碳流分析显示光合固定碳中80%至85%用于糖合成，约10%用于脂肪酸，3%至5%用于萜类途径。该工作首次在蓝藻中实现光合驱动的异戊二烯生产，验证了无需生物质收获即可直接从CO2获得挥发性燃料前体的可行性，为碳中性的可再生生物燃料和化学原料生产提供了概念验证和平台基础。
创新点
首次在蓝藻中实现光合异戊二烯生产；密码子优化显著提高异戊二烯合酶表达量（约10倍）；利用光诱导psbA2启动子实现光强度依赖的IspS表达。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | — | — | 区室化 | 宿主细胞，提供光合作用环境并异源表达IspS，替换psbA2位点 |
| Escherichia coli | — | kIspS | IspS | 催化 | 用于重组蛋白表达与抗体制备，非生产宿主 |
| — | MEP途径 | — | — | 催化 | 内源MEP途径提供DMAPP前体，用于异戊二烯合成 |
| — | — | kIspS/SkIspS | Isoprene synthase (IspS) | 催化 | 催化DMAPP转化为异戊二烯；SkIspS为密码子优化版本，表达量更高 |
| — | — | psbA2 | — | 调控 | 光合作用psbA2启动子，受光强度调控，驱动IspS表达 |
关键发现
- 异戊二烯合酶在Synechocystis中成功表达，转化株在封闭培养体系顶空中检测到异戊二烯，初步测量表明积累量约50 μg异戊二烯/g干重/天
- 密码子优化使IspS蛋白表达水平比未优化提高约10倍
- 光合碳分配中80-85%用于糖合成，约10%用于脂肪酸，3-5%用于萜类。
研究结论
通过异源表达植物IspS基因，蓝藻能够利用光合作用将CO2和水转化为挥发性异戊二烯烃，为可再生生物燃料和化学合成原料提供碳中性的新途径，证明“光合生物燃料”概念可行。