Perspectives of cyanobacterial cell factories
- 作者
- Anastasios Melis, Diego Alberto Hidalgo Martinez, Nico Betterle
- 杂志
- Photosynthesis Research（2023）
- DOI
- 10.1007/s11120-023-01056-4
- 所属领域
- 合成生物学
- 关键词
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解决的核心问题
利用蓝细菌作为光合细胞工厂，解决异戊二烯类化合物和高价值重组蛋白生产中的产量低、异源蛋白不稳定、产物分离困难等问题，并探索放大生产途径。
研究策略
综述了多种策略，包括改造MEP途径、异源表达甲羟戊酸途径、采用CpcB/CpcA融合构建体实现异源蛋白高表达、截短光捕获天线（TLA）提高光能利用效率、设计封闭双相光生物反应器供给CO2并回收挥发性产物等。
研究路线图
核心内容
该论文系统梳理了蓝细菌作为光合细胞工厂在异戊二烯类化合物及高价值重组蛋白生产中的研究进展。围绕产量低、产物不稳定和分离困难等瓶颈，研究者采用多种策略，包括改造MEP途径或异源表达甲羟戊酸途径增强碳通量，利用CpcB/CpcA融合构建体实现重组蛋白的高效稳定表达，以及截短光捕获天线（TLA）提升光能利用效率。关键结果表明，融合蛋白表达量可达总细胞蛋白的10%-20%，TLA菌株生长速率（0.058 g/L/d）比野生型提高约66%；异戊二烯产量达到12.5 mg/g biomass，约为天然通量的25%。同时，设计了封闭双相光生物反应器以供给CO2并回收挥发性产物，1200-L中试系统在7天内实现高密度培养，配合产物自发扩散与dodecane覆盖策略简化下游加工。这些结果凸显蓝细菌在可持续合成化学品方面的潜力，但多基因共表达、重组蛋白产量超过15%总蛋白及工业放大仍是未来亟需突破的关键瓶颈。
创新点
（1）CpcB/CpcA融合构建体使重组蛋白表达量达到总细胞蛋白的10-20%，且形成的异六聚体复合物能功能性地参与光合作用；（2）TLA菌株在温室中比野生型生长速率提高约66%；（3）Bentley瓶和1200-L中试反应器实现CO2供给与产物自发分离；（4）产物自发扩散与dodecane覆盖策略简化下游加工。
研究对象（14）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 异戊二烯生物合成（MEP途径） | ispS | 异戊二烯合酶 | 催化 | 异源表达，用于生产异戊二烯 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP途径 | IDI | 异戊烯基二磷酸异构酶 | 催化 | 调节DMAPP/IPP比例，提高异戊二烯产量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 单萜生物合成 | PHLS | β-水芹烯合酶 | 催化 | 用于生产β-水芹烯 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 萜类生物合成 | GPPS | 香叶基二磷酸合酶 | 催化 | 为单萜提供前体GPP |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 二萜生物合成 | GLS | 香叶基芳樟醇合酶 | 催化 | 生产香叶基芳樟醇 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甲羟戊酸途径（异源） | — | MVA途径酶（如HMG-CoA还原酶等） | 催化 | 异源表达增强异戊二烯产量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 光合作用/藻胆体 | cpcB | 藻蓝蛋白β亚基（CpcB） | 能量供给 | 光捕获天线蛋白，也用作融合表达载体 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 光合作用/藻胆体 | cpcA | 藻蓝蛋白α亚基（CpcA） | 能量供给 | 光捕获天线蛋白，也用作融合表达载体 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 光合作用/藻胆体 | cpcG1 | 藻胆体连接蛋白（CpcG1） | 能量供给 | 连接藻胆体核心与藻蓝蛋白盘，传递激发能 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 异戊二烯生物合成 | cpcB-ispS (融合) | CpcB-异戊二烯合酶融合蛋白 | 催化 | 融合构建体提高异戊二烯合酶稳定性和表达量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 单萜生物合成 | cpcB-PHLS (融合) | CpcB-β-水芹烯合酶融合蛋白 | 催化 | 融合构建体提高β-水芹烯合酶稳定性和表达量 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 重组蛋白生产 | cpcB-IFN (融合) | CpcB-人干扰素α-2融合蛋白 | 区室化 | 通过融合到藻蓝蛋白亚基，实现IFN的高表达和稳定积累 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 重组蛋白生产 | cpcB-TTFC (融合) | CpcB-破伤风毒素片段C融合蛋白 | 区室化 | 通过融合到藻蓝蛋白亚基，实现TTFC的高表达和稳定积累 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (TLA菌株) | 光合作用/光捕获 | cpcB/cpcA (缺失) | 缺失藻蓝蛋白 | 能量供给 | 截短光捕获天线（TLA），提高光合效率和培养产率 |
关键发现
- 异戊二烯产量达12.5 mg/g biomass
- 天然异戊二烯途径消耗约50 mg/g biomass，异戊二烯产量约为天然通量的25%
- 融合蛋白表达水平达10-20%总细胞蛋白
- TLA菌株生长速率（0.058 g/L/d）比野生型（0.035 g/L/d）快约66%
- 香叶基芳樟醇60-70%滞留胞内，倍增时间延长1.4倍
- 异戊二烯全球年消费量超过100万吨
- 1200-L光生物反应器在7天内获得高密度培养（2018-04-06接种，2018-04-13高密度）
- geranyllinalool的30-40%扩散至细胞外并漂浮于培养基表面。
研究结论
蓝细菌细胞工厂在可持续生产异戊二烯类化学品和生物医药蛋白方面具有巨大潜力，能够实现碳负排放。但需进一步突破多基因共表达、重组蛋白产量超过15%总蛋白等瓶颈，并从实验室放大到工业规模。