Growth engineering of Synechococcus elongatus PCC 7942 for mixotrophy under natural light conditions for improved feedstock production
- 作者
- Aditya Sarnaik, Reena Pandit, Arvind Lali
- 单位
- DBT-ICT Centre for Energy Biosciences, Institute of Chemical Technology, Mumbai, Maharashtra, India; Department of Chemical Engineering, Institute of Chemical Technology, Mumbai, Maharashtra, India
- 杂志
- Biotechnology Progress（2017）
- DOI
- 10.1002/btpr.2490
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决Synechococcus elongatus PCC 7942作为蓝藻细胞工厂因严格自养和依赖人工光源而难以工业规模化的问题，探索在自然光条件下通过混合营养生长提高生物质产率。
研究策略
将大肠杆菌W3110的己糖/H+同向转运蛋白基因galP整合至Synechococcus elongatus PCC 7942基因组，在控温环境室中模拟自然日照（最高1200 μmol/m2/s）条件下，比较野生型与转化株的自养和混合营养生长性能，并结合类胡萝卜素分析和通量平衡分析（FBA）评估代谢变化。
研究路线图
核心内容
该研究针对蓝藻Synechococcus elongatus PCC 7942严格自养、依赖人工光源而难以规模化的问题，将大肠杆菌的己糖/H+同向转运蛋白基因galP整合至其基因组，在控温环境室中模拟自然日照条件（最高1200 μmol/m2/s），比较野生型与转化株的自养和混合营养生长性能。结果表明，混合营养培养（1%葡萄糖）的转化株生物质产率达0.27±0.007 g/L/d，比自养转化株提高3.4倍；混合营养下叶绿素a含量降低而类胡萝卜素/叶绿素a比值升高。通量平衡分析显示，混合营养使CO2和光子摄取率分别从0.4和10 mmol/g DCW/h降至0.3和5 mmol/g DCW/h，硝酸盐绝对摄取率也降低31%，证实混合营养减轻了光合作用依赖。此外，玉米黄质被鉴定为自然光胁迫下的主要光保护色素。该工作证明通过异源糖转运蛋白实现混合营养，可在自然光条件下显著提升蓝藻生物质产率并降低光需求，为蓝藻工业化生产高值化合物提供了可行策略。
创新点
['首次在自然日光条件下（环境室）验证galP转化株的混合营养生长性能', '系统比较不同光驯化条件（IC与EC）和光周期（自然昼夜与连续8:16）对生物质产率和色素谱的影响', '利用FBA预测混合营养条件下的CO2和光子摄取率，揭示混合营养降低光依赖的机制', '证明玉米黄质是Synechococcus在自然光胁迫下的主要光保护色素']
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechococcus elongatus PCC 7942 | 糖转运与混合营养代谢 | galP | GalP（己糖/H+同向转运蛋白） | 转运 | 来自E. coli W3110，整合于NS I中性位点，受P_trc启动子控制，使蓝藻能摄取外源葡萄糖。 |
关键发现
- 混合营养培养的转化株（1%葡萄糖）生物质产率比自养转化株高3.4倍（0.27±0.007 vs
- 07±0.032 g/L/d）；野生型在EC中比IC中生物质产率提高50%；混合营养下叶绿素a含量降低，而类胡萝卜素/叶绿素a比值升高；硝酸盐绝对摄取率在1%葡萄糖补充时比自养降低31%（0.11 vs
- 17 mmol/g DCW/h）；FBA预测自养CO2摄取率为0.4 mmol/g DCW/h、光子摄取率为10 mmol/g DCW/h，混合营养分别为0.3和5 mmol/g DCW/h；玉米黄质产率在自养下约2 mg/g，混合营养下约0.8 mg/g。
研究结论
在控温自然光条件下，通过表达异源己糖转运蛋白实现混合营养生长，可显著提高Synechococcus elongatus PCC 7942的生物质产率，减少对光的依赖，是推动该蓝藻工业化生产高价值化合物的可行策略。