Engineering Cyanobacteria for Photosynthetic Production of C3 Platform Chemicals and Terpenoids from CO2
- 作者
- Jun Ni, Fei Tao, Ping Xu, Chen Yang
- DOI
- 10.1007/978-981-13-0854-3_10
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用蓝细菌作为光合自养底盘，直接从CO2高效合成C3平台化学品（如乳酸、甘油等）和高价值萜类化合物，以替代依赖石化资源的传统生产方式。
研究策略
系统综述近年通过代谢工程和合成生物学改造蓝细菌生产C3平台化学品与萜类的策略，包括引入异源合成途径、优化限速酶表达（如启动子工程、蛋白融合、过表达MEP途径关键酶）、阻断竞争途径、调控辅因子供给（如转氢酶）以及优化培养条件等。
研究路线图
核心内容
该综述系统总结了通过代谢工程和合成生物学改造蓝细菌，使其直接利用CO2合成C3平台化学品与萜类化合物的研究进展。策略上涵盖引入异源合成途径、启动子优化与蛋白融合增强限速酶表达、阻断竞争分支、调控辅因子供给以及培养条件优化等多个层面。代表性成果包括：在集胞藻PCC6803中引入突变甘油脱氢酶并表达转氢酶后，D-乳酸产量最高达1.14 g/L，添加乙酸盐后可提升至2.17 g/L；异戊二烯方面，融合CpcB蛋白使产率提高27倍，长期培养产量达1.26 g/L，CO2分配率约40%。此外，甘油最高产量分别达1.068 g/L（PCC6803）和1.17 g/L（PCC7942），3-羟基丙酸经丙二酰-CoA途经在PCC7942中产量达665 mg/L，阿莫尔二烯通过优化提高23倍至19.8 mg/L。这些结果证实蓝细菌经合理工程改造可成为高效的光合细胞工厂，从CO2直接合成多种高值化学品，展现出绿色生物制造的潜力，但进一步提升产率与产品耐受性仍是规模化应用的关键。
创新点
综述提出C3平台化学品的光合生产可最大化利用固定碳（距碳固定仅1-3步），萜类则因高价值而成为可行目标；总结了通过蛋白融合、双向途径构建（如从丙酮酸或DHAP合成乳酸）以及MEP途径平衡（如IDI、IspG过表达）大幅提升产量的案例。
研究对象（22）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechococcus elongatus PCC7942 | D-乳酸合成途径 | ldhA | D-乳酸脱氢酶 | 催化 | 来源于大肠杆菌，催化丙酮酸生成D-乳酸 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | D-乳酸转运 | lldP | 乳酸转运蛋白 | 转运 | 来源于大肠杆菌，负责D-乳酸分泌 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 辅因子工程 | udhA | 转氢酶 | 能量供给 | 将NADPH转化为NADH |
| Synechocystis sp. PCC6803 | D-乳酸合成途径 | gldA101 | 突变甘油脱氢酶 | 催化 | 突变的甘油脱氢酶用于生产光学纯D-乳酸 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | L-乳酸合成途径 | ldh | L-乳酸脱氢酶 | 催化 | 来自枯草芽孢杆菌 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 异丙醇合成途径 | thl, atoAD, adc, adh | 乙酰-CoA乙酰转移酶、乙酰乙酰-CoA转移酶、乙酰乙酸脱羧酶、醇脱氢酶 | 催化 | 异丙醇生物合成途径的四个关键酶 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 甘油合成途径 | gpp1 | 甘油-3-磷酸磷酸酶 | 催化 | 来自酵母，将G3P转化为甘油 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 3-羟基丙酸合成途径 | mcr, msr | 丙二酰-CoA还原酶、丙二酸半醛还原酶 | 催化 | 利用丙二酰-CoA合成3HP，耐氧 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 3-羟基丙酸合成途径 | accBCAD, birA, pntAB | 乙酰-CoA羧化酶、生物素连接酶、NAD(P)转氢酶 | 能量供给 | 增强丙二酰-CoA和NADPH供给，提高3HP产量 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 1,2-丙二醇合成途径 | mgsA, sadh, yqhD | 甲基乙二醛合酶、甘油脱氢酶、醛还原酶 | 催化 | 从DHAP经甲基乙二醛合成1,2-PDO |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 1,3-丙二醇合成途径 | gpd1, hor2, dhaB123, gdrAB, yqhD | 甘油-3-磷酸脱氢酶、甘油-3-磷酸磷酸酶、甘油脱水酶及其激活因子、醛还原酶 | 催化 | 从DHAP经甘油合成1,3-PDO |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 异戊二烯合成途径 | IspS | 异戊二烯合酶 | 催化 | 来自野葛（Pueraria montana），催化DMAPP生成异戊二烯 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | MEP途径 | IDI | 异戊烯基焦磷酸异构酶 | 催化 | 过表达IDI增加DMAPP/IPP比例，提高异戊二烯产量 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | MEP途径 | IspG | 4-羟基-3-甲基丁-2-烯基二磷酸合酶 | 催化 | MEP途径的瓶颈酶，过表达缓解通量限制 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 柠檬烯合成途径 | LMS | 柠檬烯合酶 | 催化 | 来自裂叶荆芥（Schizonepeta tenuifolia） |
| Anabaena sp. PCC7120 | 柠檬烯合成途径 | LMS | 柠檬烯合酶 | 催化 | 来自北美云杉（Picea sitchensis） |
| Synechococcus sp. PCC7002 | 柠檬烯合成途径 | LMS | 柠檬烯合酶 | 催化 | 来自薄荷（Mentha spicata） |
| Synechococcus sp. PCC7002 | 倍半萜合成途径 | BIS | α-红没药烯合酶 | 催化 | 来自巨冷杉（Abies grandis） |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 阿莫尔二烯合成途径 | ADS | 阿莫尔二烯合酶 | 催化 | 来自黄花蒿（Artemisia annua） |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 角鲨烯合成途径 | SQS | 角鲨烯合酶 | 催化 | 来自酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 二萜合成途径 | TPS2, TPS3 | 二萜合酶 | 催化 | 来自彩叶草（Coleus forskohlii），催化GGPP生成13R-甘露糖氧化物 |
| Synechocystis sp. PCC6803 | 二萜合成途径 | GLS | 香叶基芳樟醇合酶 | 催化 | 来自烟草（Nicotiana attenuata） |
关键发现
- 文献报道的代表性产量：工程化S. elongatus PCC7942表达D-乳酸脱氢酶和转运蛋白，D-乳酸产量55 mg/L（13.8 mg/L/day）
- Synechocystis sp. PCC6803表达突变甘油脱氢酶和转氢酶，D-乳酸产量1.14 g/L，添加乙酸盐后达2.17 g/L
- D-乳酸最高产率265 mg/L/day。异丙醇优化后产量146 mg/L。甘油产量：PCC6803中1.068 g/L，PCC7942中1.17 g/L。3HP产量：PCC7942丙二酰-CoA途经665 mg/L，β-丙氨酸途经186 mg/L，PCC6803优化后837.18 mg/L。1,2-PDO最高150 mg/L，1,3-PDO最高288 mg/L。异戊二烯：PCC6803初始4 μg/L/h，融合CpcB提高27倍
- 长期培养产1.26 g/L，速率4.3 mg/L/h，CO2分配约40%。柠檬烯：PCC7002产4 mg/L，速率50 μg/L/h
- 增强后达92.2 μg/g DW/h。法尼烯0.3 mg/L。阿莫尔二烯19.8 mg/L（提高23倍）。13R-甘露糖氧化物20.4 μg/g DW/h，过表达DXS提高4倍。角鲨烯速率64.8 μg/g DW/h，优化后253.8 μg/g DW/h。
研究结论
蓝细菌能够被工程化改造为高效的光合“细胞工厂”，直接从CO2生产C3平台化学品和多种萜类化合物。通过合理的途径设计和系统优化，部分产品（如D-乳酸、甘油、异戊二烯、角鲨烯）已达到显著产量，展现出绿色生物制造的潜力。未来需进一步提高产率和产品耐受性，并实现规模化生产。