Production of Squalene in Synechocystis sp. PCC 6803
- 作者
- Elias Englund, Bagmi Pattanaik, Sarojini Jayantha K. Ubhayasekera, Karin Stensjö, Jonas Bergquist, Pia Lindberg
- 单位
- Microbial Chemistry, Department of Chemistry, Angstrom and Science for Life Laboratory, Uppsala University, Uppsala, Sweden; Analytical Chemistry, Department of Chemistry, BMC and Science for Life Laboratory, Uppsala, Sweden
- 杂志
- PLoS ONE（2014）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0090270
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用光合蓝细菌可持续生产角鲨烯，并鉴定蓝细菌中参与角鲨烯合成与代谢的关键酶（角鲨烯hopene环化酶和角鲨烯合酶）。
研究策略
通过同源重组失活slr2089（推测编码角鲨烯hopene环化酶Shc）使细胞积累角鲨烯；进一步失活sll0513（推测编码角鲨烯合酶Sqs）验证其功能；并通过互补实验和不同光照/生长阶段分析角鲨烯积累特性。
核心内容
该研究在蓝细菌集胞藻PCC 6803中通过同源重组分别失活slr2089和sll0513基因，鉴定了参与角鲨烯合成与代谢的关键酶。失活slr2089（推测编码角鲨烯hopene环化酶）的Δshc菌株在稳定期角鲨烯含量达0.67 mg OD750⁻¹ L⁻¹，较野生型（0.0093 mg OD750⁻¹ L⁻¹）提高逾70倍，而互补菌株含量回落至0.0529 mg OD750⁻¹ L⁻¹，证实该基因功能。失活sll0513（推测编码角鲨烯合酶）的Δsgs菌株则完全检测不到角鲨烯，确证其为第二个角鲨烯合酶。工程菌株在5至500 μmol photons m⁻² s⁻¹光照下与野生型生长无显著差异，且角鲨烯积累随生长阶段和细胞密度增加而升高，正常光照优于低光照。结果表明，仅通过单基因失活即能实现角鲨烯的高效积累且不影响光合自养生长，该集胞藻工程菌株可作为可持续生产角鲨烯及异戊二烯类生物燃料和化工原料的平台。
创新点
首次在蓝细菌中鉴定并功能验证了角鲨烯hopene环化酶（slr2089）；报道了蓝细菌中第二个角鲨烯合酶（sll0513）的鉴定；构建了能积累角鲨烯的集胞藻PCC 6803工程菌株。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径/异戊二烯生物合成 | slr2089 | Shc（角鲨烯hopene环化酶） | 催化 | 将角鲨烯转化为hopene；失活该基因导致角鲨烯积累 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径/异戊二烯生物合成 | sll0513 | Sqs（角鲨烯合酶） | 催化 | 催化两分子FPP合成角鲨烯；失活后无角鲨烯生成 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | crtE (shr0739) | CrtE（香叶基香叶基焦磷酸合酶） | 催化 | 推测参与IPP和DMAPP缩合生成GPP/FPP，为角鲨烯合成提供底物 |
关键发现
- 失活shc基因的Δshc菌株在稳定期角鲨烯含量为0.67±0.102 mg OD750^-1 L^-1，野生型仅为0.0093±0.0031 mg OD750^-1 L^-1，积累量提高超过70倍
- 互补菌株Δshc pPMQshc角鲨烯含量降至0.0529±0.0031 mg OD750^-1 L^-1
- 失活sll0513的Δsgs菌株中未检测到角鲨烯
- Δshc菌株与野生型在不同光照（5、50、500 μmol photons m^-2 s^-1）下生长无显著差异
- 正常光照下细胞角鲨烯含量高于低光照，且随生长阶段和细胞密度增加而增加。
研究结论
集胞藻PCC 6803可用于可持续生产角鲨烯，通过单基因失活shc即可使角鲨烯积累至野生型约70倍，且不影响光合自养生长；slr2089编码功能性角鲨烯hopene环化酶，sll0513编码角鲨烯合酶；该工程菌株是潜在的生物燃料和化工原料生产平台。