Metabolic engineering of enhanced glycerol-3-phosphate synthesis to increase lipid production in Synechocystis sp. PCC 6803
- 作者
- Xi Wang, Xiaochao Xiong, Na Sa, Sanja Roje, Shulin Chen
- 单位
- Department of Biological Systems Engineering, Washington State University; Institute of Biological Chemistry, Washington State University
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2017）
- DOI
- 10.1007/s00253-016-7521-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中，甘油-3-磷酸（G3P）是连接CO2固定和脂质代谢的关键节点，但增强G3P合成是否能提高光合产脂尚不明确，且异源表达GPD和DGAT的策略缺乏系统验证。
研究策略
将来自酿酒酵母的GPD1基因和来自红球菌Rhodococcus opacus PD630的atf1基因（编码DGAT）整合到Synechocystis sp. PCC 6803的NS1中性位点，通过tac启动子组成型表达，增强G3P供应和TAG合成；同时利用通量平衡分析（FBA）模拟G3P合成对脂质生产的影响。
核心内容
本研究在集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803中通过增强甘油-3-磷酸（G3P）合成来促进光合产脂。研究人员将酿酒酵母的GPD1基因（编码G3P脱氢酶）和红球菌的atf1基因（编码二酰甘油酰基转移酶）整合至NS1中性位点，由tac启动子组成型表达，同时结合通量平衡分析（FBA）模拟G3P通量对脂质代谢的影响。结果显示，共表达菌株XW2在自养条件下脂质含量达8.1%干重，比野生型高36%，脂质生产力提高31%，8天脂质滴度约134.1 mg/L，日生产力达16.8 mg L⁻¹ day⁻¹；GPD酶活性升至野生型的172%。脂肪酸谱中C18:1增加8倍，C16:0增加32%。FBA模拟表明增加G3P通量可提高RuBisCO通量并增加NADPH产量。该研究首次证明，在蓝藻中增强G3P合成而非仅依赖乙酰-CoA，是提高光合产脂的有效途径，可在不明显牺牲生长的前提下显著提升脂质产量。
创新点
首次在Synechocystis中通过增强G3P合成（而非仅乙酰-CoA）来促进光合产脂；将FBA模拟与异源表达结合，阐明G3P合成对脂质代谢和细胞生长的系统影响；采用“推拉”策略协同增强GPD和DGAT，实现不显著抑制生长的脂质增产。
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 | 脂质生物合成 | GPD1 | 甘油-3-磷酸脱氢酶 (GPD) | 催化 | 来自酿酒酵母，催化DHAP转化为G3P，增强G3P供应 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 甘油三酯合成 | atf1 | 二酰甘油酰基转移酶 (DGAT) | 催化 | 来自红球菌Rhodococcus opacus PD630，催化DAG生成TAG |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | CO2固定/卡尔文循环 | rbcL/rbcS (内源) | RuBisCO | 催化 | FBA模拟显示GPD通量增加时RuBisCO通量上调 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 | 光合电子传递/NADPH合成 | petH (内源) | 铁氧还蛋白-NADP+还原酶 (FNOR) | 能量供给 | FBA模拟显示GPD通量增加时FNOR通量上调，提供更多NADPH |
关键发现
- 重组菌XW2（表达GPD1和atf1）在自养条件下脂质含量最高达8.1%干重，比野生型高36%，比仅表达atf1的XW1高20%
- 脂质生产力比野生型高31%，8天脂质滴度约134.1 mg/L（野生型102.6 mg/L），日生产力16.8 vs 12.8 mg L−1 day−1
- GPD酶活性为26.20±5.24 nmol min−1 mg−1蛋白，相对野生型（15.24±0.45）的172%
- 混合营养条件下脂质滴度约107.4 mg/L，比野生型（89.6 mg/L）高20%
- 脂肪酸谱中C18:1增加8倍，C16:0增加32%，C18:2增加33%，C18:3 n6增加14%
- FBA模拟显示增加GPD通量可提高RuBisCO通量、降低光呼吸、增加NADPH产量。
研究结论
增强G3P合成是提高集胞藻光合产脂的关键因素，异源表达GPD和DGAT是一种有效策略，可在不明显牺牲细胞生长的前提下显著提高脂质产量和生产力。