高级醇 · 代谢工程文献库

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Engineering of cyanobacteria for the photosynthetic production of limonene from CO2

作者
Hiroshi Kiyota, Yukiko Okuda, Michihiro Ito, Masami Yokota Hirai, Masahiko Ikeuchi
单位
Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, University of Tokyo; RIKEN Center for Sustainable Resource Science; Department of Life Sciences (Biology), Graduate School of Arts and Science, University of Tokyo; Graduate School and Faculty of Pharmaceutical Sciences, Kyoto University; Japan Science and Technology Agency (JST), CREST
杂志
Journal of Biotechnology（2014）
DOI
10.1016/j.jbiotec.2014.05.025
所属领域
代谢工程
关键词
IsoprenoidLimoneneMEP pathwaySynechocystisSynthetic biology
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解决的核心问题

如何利用光合微生物蓝藻直接从CO2光合生产挥发性萜类化合物柠檬烯，并实现可持续高效生产。

研究策略

在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中异源表达植物柠檬烯合酶（LMS），并过表达内源MEP途径中三个关键酶（dxs、crtE、ipi）以增强底物牻牛儿基焦磷酸（GPP）的供应，同时采用气提法（gas-stripping）回收挥发性柠檬烯以避免产物抑制。

研究路线图

研究问题：如何利用蓝藻从CO2光合生产柠檬烯？
策略：异源表达柠檬烯合酶+增强MEP途径
改造：集胞藻PCC 6803中表达LMS基因
改造：过表达dxs/crtE/ipi增强前体供应
结果：LMSox产率41 μg/L/天
结果：MEP过表达使产量提高1.4倍
结果：气提法回收99.4%柠檬烯
结果：712h连续生产总产量~1 mg/L
结论：成功实现蓝藻光合生产柠檬烯，且不影响细胞生长
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核心内容

该研究在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中构建了光合生产柠檬烯的系统：异源表达植物来源的柠檬烯合酶，并过表达内源MEP途径中dxs、crtE和ipi三个关键酶以增强底物牻牛儿基焦磷酸的供应，同时采用气提法回收挥发性产物以避免抑制。结果显示，仅表达柠檬烯合酶的菌株产率为41 μg/L/day，额外过表达MEP途径酶后提高到56 μg/L/day，提升了1.4倍；在712小时的长期培养中，产率维持在19 μg/L/day，总产量约1 mg/L，气提回收率达99.4%。过程对细胞生长无明显抑制，柠檬烯碳流量约占固定碳的0.1%。该工作证明蓝藻可直接将CO2转化为挥发性萜类产物，MEP途径增强和产物原位回收是提升产量和维持长期运行的有效策略，为光合生产其他萜类化合物提供了可借鉴的模型。

创新点

['首次在蓝藻中异源表达植物单萜合酶并实现光合生产柠檬烯', '通过过表达MEP途径关键酶提高柠檬烯产量1.4倍', '采用气提法实现长期（1个月）可持续生产，无需更换培养基', '证明柠檬烯生产不影响蓝藻生长']

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Synechocystis sp. PCC 6803 MEP pathway LMS Limonene synthase 催化 来源于植物Schizonepeta tenuifolia，经密码子优化，催化GPP生成柠檬烯
Synechocystis sp. PCC 6803 MEP pathway dxs 1-deoxyxylulose-5-phosphate synthase 催化 内源基因sll1945，过表达以增强MEP途径通量
Synechocystis sp. PCC 6803 MEP pathway crtE Geranyl pyrophosphate synthase 催化 内源基因slr0739，过表达以增加GPP供应
Synechocystis sp. PCC 6803 MEP pathway ipi Isopentenyl pyrophosphate isomerase 催化 内源基因sll1556，过表达以促进IPP与DMAPP相互转化

关键发现

  1. LMSox菌株柠檬烯产率为41 μg/L/day，LMSox-MEPox菌株产率为56 μg/L/day，提高了1.4倍
  2. 长期培养712h后产率仍达19 μg/L/day，总产量约1 mg/L
  3. 气提回收率99.4%集中于冷阱，细胞和培养基中仅残留0.6%
  4. 柠檬烯生产对细胞生长无明显抑制
  5. 柠檬烯流量约占类异戊二烯总生物合成的2.5%（LMSox）或3.4%（LMSox-MEPox），占固定碳的0.1%。

研究结论

成功构建了利用蓝藻光合作用从CO2生产柠檬烯的系统，通过MEP途径工程优化提高了产量，并借助气提法实现了长达1个月的可持续生产，且不影响细胞生长。该系统为光合生产其他萜类化合物提供了模型。

源文件 10.1016%j.jbiotec.2014.05.025.md · 31452 字符 · 抽取模型 deepseek-v4-flash · 13913 token