Genetically engineering cyanobacteria to convert CO2, water, and light into the long-chain hydrocarbon farnesene
- 作者
- Charles Halfmann, Liping Gu, William Gibbons, Ruanbao Zhou
- 杂志
- Applied Microbiology and Biotechnology（2014）
- DOI
- 10.1007/s00253-014-6118-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
缺乏利用蓝藻将CO2和水直接光合合成法呢烯（C15长链烃）的可持续方法
研究策略
化学合成密码子优化的挪威云杉法呢烯合酶基因，通过接合转移导入丝状蓝藻Anabaena sp. PCC 7120，利用其内源MEP途径合成法呢烯，并通过树脂柱吸附回收从培养液顶空挥发的产物
核心内容
该研究通过化学合成并密码子优化挪威云杉的法呢烯合酶基因，借助接合转移导入丝状蓝藻Anabaena sp. PCC 7120，利用其内源MEP途径将CO2、水和光直接转化为长链烃法呢烯。产物通过细胞挥发排出，由树脂柱吸附回收。结果显示，转基因蓝藻最大光合生产力达69.1±1.8 μg L⁻¹ OD⁻¹ d⁻¹，15天总产量为305.4±17.7 μg L⁻¹，且高光条件下转基因株的氧气释放速率比野生型高约60%，表明法呢烯合成增强了光系统II活性。此外，100 mg树脂至少可吸附1 mg法呢烯，按模型估算，一个6.4百万升光生物反应器年产约851.3吨法呢烯，成本可低至1.30美元/升。该工作首次在丝状蓝藻中实现光合法呢烯生产，验证了蓝藻作为生物太阳能工厂直接转化CO2合成高价值萜烯的可行性，为可持续生物燃料生产提供了新思路。
创新点
['首次在丝状蓝藻Anabaena 7120中实现光合生产法呢烯', '利用蓝藻内源MEP途径直接固定CO2合成C15萜烯', '法呢烯通过挥发从细胞排出并被树脂柱高效回收', '发现法呢烯合成增强了高光下PSII活性（比野生型高约60%）']
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Anabaena sp. PCC 7120 | MEP（非甲羟戊酸）途径 | faS（PaTPS-Far） | 法呢烯合酶（FaS） | 催化 | 来自挪威云杉，经密码子优化并带His6和FLAG2标签，由nir-psbA1双启动子驱动表达 |
关键发现
- 成功表达法呢烯合酶后，Anabaena 7120可仅利用CO2、水和光合成并释放α-法呢烯
- 最大光合生产力为69.1±1.8 μg L^-1 OD^-1 d^-1
- 15天总法呢烯产量为305.4±17.7 μg L^-1
- 其中前3天产量45.7±2.5 μg L^-1，第13-15天产量约93.3±9.6 μg L^-1
- 在高光（≥1000 μE m^-2 s^-1）下转基因株的氧气释放速率比野生型高约60%
- 100 mg 2SV树脂至少可吸附1 mg法呢烯
- 按模型估算，一个6.4百万升光生物反应器每年可产约851.3吨法呢烯，生产成本可低至1.30美元/升
研究结论
通过表达异源法呢烯合酶，Anabaena 7120可将CO2和水直接光合转化为可挥发的法呢烯，证明了蓝藻作为生物太阳能工厂生产生物燃料和高价值化学品的可行性