The production of the sesquiterpene β-caryophyllene in a transgenic strain of the cyanobacterium Synechocystis
- 作者
- Robert E. Reinsvold, Robert E. Jinkerson, Randor Radakovits, Matthew C. Posewitz, Chhandak Basu
- 单位
- School of Biological Sciences, University of Northern Colorado, Ross Hall, Room 2480, Greeley, CO 80639, United States; Department of Chemistry & Geochemistry, Colorado School of Mines, Coolbaugh Hall, 1500 Illinois Street, Golden, CO 80401, United States
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2010.11.006
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
现有β-石竹烯提取依赖大量植物材料，成本高且不可持续；缺乏利用光合自养微生物生产倍半萜的平台。
研究策略
将黄花蒿β-石竹烯合酶基因QHS1通过双同源重组整合到集胞藻Synechocystis sp. PCC6803基因组的psbAII位点，利用内源强启动子驱动表达，以蔗糖反筛选实现无标记插入，并通过RT-PCR、GC-FID和GC-MS验证。
核心内容
该研究首次在光合自养蓝细菌集胞藻Synechocystis sp. PCC6803中实现了倍半萜β-石竹烯的异源生产。研究者将黄花蒿来源的β-石竹烯合酶基因QHS1通过基于sacB/aphX的双同源重组策略无标记整合至基因组psbAII位点，由内源强启动子驱动表达。通过RT-PCR确认了基因转录，GC-FID和GC-MS检测证实工程菌株可合成β-石竹烯，产量达46.4 ± 2.9 ng·mL⁻¹·week⁻¹（约3.7 μg·g⁻¹干重·week⁻¹），且未检测到副产物α-humulene，表明植物来源的倍半萜合酶能在原核光合生物中正确表达并特异催化。该工作证明蓝细菌可仅利用光能和CO₂直接合成药用及燃料前体萜类化合物，为以自养微生物为底盘构建可持续萜类生物合成平台提供了可行性依据，对生物燃料和医药萜类的绿色生产具有潜在价值。
创新点
首次在蓝细菌（光合自养微生物）中实现倍半萜β-石竹烯的异源生产；采用基于sacB/aphX的双同源重组无标记插入策略；证实植物来源的倍半萜合酶可在原核光合生物中活性表达。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. strain PCC6803 | 甲基赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径 / 类异戊二烯生物合成 | crtE, sll1556, lytB | GGPS, IDI, IDS | 催化 | 内源酶系，提供类异戊二烯前体法尼基焦磷酸（FPP） |
| Synechocystis sp. strain PCC6803 | 倍半萜生物合成（异源） | QHS1 | β-caryophyllene synthase | 催化 | 来自黄花蒿，催化FPP环化生成β-石竹烯；基因长度1644 bp |
| Synechocystis sp. strain PCC6803 | 光合作用（基因表达） | psbAII（启动子区） | D1蛋白（被替换） | 调控 | 利用其强启动子驱动QHS1表达，同时作为双同源重组插入靶位点 |
关键发现
- 成功在集胞藻中异源表达QHS1基因，并检测到β-石竹烯产量为46.4 ± 2.9 ng·mL⁻¹·week⁻¹（约3.7 μg·g⁻¹干重·week⁻¹）
- PCR和测序确认基因插入，RT-PCR确认转录，GC-FID/GC-MS确认产物
- 未检测到α-humulene。
研究结论
本研究证明集胞藻可经基因工程生产β-石竹烯，为利用自养微生物合成萜类化合物提供可行途径，对生物燃料和医药萜类生产具有潜在价值。