Diffusion-Based Process for Carbon Dioxide Uptake and Isoprene Emission in Gaseous/Aqueous Two-Phase Photobioreactors by Photosynthetic Microorganisms
- 作者
- Fiona K. Bentley, Anastasios Melis
- 单位
- Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley, CA 94720-3102
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2012）
- DOI
- 10.1002/bit.23298
- 所属领域
- 代谢工程
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解决的核心问题
开发一种可扩展的方法，在密封的光生物反应器中利用光合微生物从CO2和水可持续地生产和收集异戊二烯，同时解决密封系统导致的CO2耗尽、O2积累和产物挥发物收集问题。
研究策略
设计了一种基于扩散的气-液两相光生物反应器。将顶部空间填充100% CO2后密封，使CO2通过扩散自发进入液体培养基被光合微生物吸收，同时光合作用产生的O2和异戊二烯通过扩散排放到顶部空间。定期补充CO2并排出产物，结合半连续培养（定期稀释）维持细胞活跃生长和稳定产率。
研究路线图
核心内容
本研究构建了一种基于扩散传质的气-液两相光生物反应器，用于光合蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803可持续生产并收集异戊二烯。通过双同源重组将密码子优化的野葛异戊二烯合酶基因SkIspS整合至基因组并取代PsbA2基因，实现稳定表达。反应器顶部空间充入100% CO2后密封，CO2经气液界面扩散进入培养基被藻细胞固定，光合作用产生的O2和异戊二烯则扩散排放至顶部空间，定期补充CO2并配合半连续培养维持细胞活力。单次投加500 mL CO2后在48小时内OD730从0.5增至约2.5，异戊二烯产量最高达100 μg/L培养物，峰值产率为2 μg L−1 h−1。每48小时补加CO2并在192小时内进行半连续稀释后，异戊二烯产率稳定在2 μg L−1 h−1；若按亨利定律校正液相中溶解部分，总产率约翻倍至4 μg L−1 h−1，碳分配约占光合固碳的0.08%。转化体的光合放氧速率（287 μmol O2 (mg Chl)−1 h−1）与野生型无显著差异，且异戊二烯产生严格依赖光照。结果表明该扩散式密封反应器无需连续通气即可实现气体交换和产物富集，为挥发性生物产品的规模化光驱动生产提供了可扩展的平台。
创新点
1. 提出基于扩散的封闭式气-液两相光生物反应器，无需连续通气即可实现气体交换和产物积累；2. 通过双同源重组将密码子优化的kudzu异戊二烯合酶基因（SkIspS）整合入Synechocystis sp. PCC 6803基因组，取代PsbA2基因，实现稳定的异戊二烯光合生产；3. 结合半连续培养实现长期稳定产率；4. 应用亨利定律校正液相中溶解的异戊二烯，使总产量估计提高约一倍。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 | MEP (methyl-erythritol-4-phosphate) pathway | IspS (kudzu, Pueraria montana, 密码子优化为SkIspS) | isoprene synthase (IspS) | 催化 | 异源表达，催化DMAPP脱焦磷酸生成异戊二烯；转化体通过替换PsbA2基因实现重组。 |
关键发现
- 野生型和SkIspS转化体的倍增时间均约23小时（20 μmol photons m^-2 s^-1光照下）
- 光合放氧最大速率Pmax在野生型为263 μmol O2 (mg Chl)^-1 h^-1，转化体为287 μmol O2 (mg Chl)^-1 h^-1，暗呼吸速率约-17 μmol O2 (mg Chl)^-1 h^-1。在气-液两相密封反应器中，单次投加500 mL 100% CO2后，OD730在48小时内从0.5增至约2.5，干重从0.25增至约0.7 g/L，叶绿素从0.25增至约0.75 mg/mL培养物
- 单剂量CO2可获得100 μg异戊二烯/L培养物的产量，最高产率出现在初始48小时，为2 μg异戊二烯 L^-1 h^-1。每48小时重复补充CO2时，192小时内OD730从0.5增至约6.5，干重从0.2增至约1.8 g dw/L，叶绿素从0.5增至约10 μg/mL，累积异戊二烯产量为150 μg/L培养物。半连续培养（每24小时通CO2、每48小时稀释至OD730=0.5）实现192小时内异戊二烯产率稳定为2 μg L^-1 h^-1（未计液相溶解量）。根据亨利定律校正液相溶解后，总产率估计为4 μg异戊二烯 L^-1 h^-1，碳分配约占光合固碳的0.08%。异戊二烯的产生严格依赖光照。
研究结论
该研究证明了一种基于扩散的气-液两相光生物反应器能够支持光合蓝藻从CO2和水中持续生产异戊二烯，并通过半连续培养维持稳定产率，为可再生异戊二烯及其他挥发性生物产品的工业化生产提供了可扩展的平台。SkIspS转化体在光合效率和生长方面与野生型无显著差异，表明异戊二烯合酶的异源表达不会对宿主产生不良影响。