高级醇 · 代谢工程文献库

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Exploring the potential of the model cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 for the photosynthetic production of various high-value terpenes

作者
Victoire Blanc-Garin, Célia Chenebault, Encarnación Díaz-Santos, Marine Vincent, Jean-François Sassi, Corinne Cassier-Chauvat, Franck Chauvat
单位
Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, Institute for Integrative Biology of the Cell (I2BC), 91198 Gif-sur-Yvette, France; Commissariat A Lenergie Atomique Et Aux Energies Alternatives (CEA), Centre de Cadarache, 13108 St Paul Lez Durance, France
杂志
Biotechnology for Biofuels（2022）
DOI
10.1186/s13068-022-02211-0
所属领域
代谢工程
关键词
CyanobacteriaGenetic engineeringNitrogen sources (nitrate, urea)Production stabilityTerpene diversity
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解决的核心问题

预测集胞藻Synechocystis PCC 6803是否适合作为光合生产不同化学结构高价值萜烯的通用底盘，并系统比较其生产五种代表性萜烯（柠檬烯、蒎烯、红没药烯、法尼烯、檀香烯）的能力。

研究策略

使用RSF1010来源的pC复制型质粒，在强λ pR启动子下分别表达五种密码子优化的萜烯合酶基因，在相同的遗传背景和培养条件下比较各菌株的生长、产量和遗传稳定性。

研究路线图

100%
核心问题：评估集胞藻作为通用萜烯底盘潜力
策略：RSF1010质粒表达五种萜烯合酶&＃10;强λpR启动子，相同遗传背景
关键改造（单萜）：&＃10;柠檬烯合酶（薄荷）&＃10;α-蒎烯合酶（火炬松）
关键改造（倍半萜）：&＃10;红没药烯合酶（巨冷杉）&＃10;檀香烯合酶（檀香）&＃10;α-法尼烯合酶（欧洲云杉）
结果1：产量比较&＃10;蒎烯80μg/L ＜ 柠檬烯0.7mg/L&＃10;檀香烯1.4mg/L ＜ 红没药烯14mg/L&＃10;法尼烯30mg/L（最高）
结果2：质粒表达（pCFS）&＃10;= 染色体整合（chrFS）×7&＃10;两者相加（约32 mg/L）
结果3：5-9个月传代稳定&＃10;尿素可替代硝酸盐&＃10;高温高光降低法尼烯产量
结论：集胞藻更适合生产倍半萜&＃10;（法尼烯最优），非单萜&＃10;IPP可能不是限制因素
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核心内容

该研究以蓝细菌集胞藻Synechocystis PCC 6803为底盘，系统评估其作为光合生产高价值萜烯通用宿主的潜力。作者利用RSF1010来源的pC复制型质粒，在强λ pR启动子下分别表达五种密码子优化的萜烯合酶基因，在相同遗传背景和培养条件下比较了单萜（柠檬烯、蒎烯）与倍半萜（红没药烯、法尼烯、檀香烯）的生产能力。结果表明，倍半萜产量显著高于单萜，其中法尼烯产量最高达约30 mg/L，红没药烯约14 mg/L，而蒎烯仅约80 μg/L。值得注意的是，质粒表达的法尼烯产量是染色体整合菌株的约7倍，且二者共表达时产量近似相加。所有菌株在5至9个月传代中保持产量稳定，且尿素可替代硝酸盐作为唯一氮源。该研究首次在集胞藻中实现法尼烯和檀香烯的稳定生产，证明该底盘更适合倍半萜尤其是法尼烯的光合合成，为蓝细菌萜烯生产策略提供了重要参考。

创新点

首次在集胞藻中实现法尼烯的稳定生产；首次在蓝细菌中实现檀香烯的生产；首次证明集胞藻可利用尿素作为唯一氮源进行萜烯生产；系统比较了单萜与倍半萜生产能力，揭示其更适合倍半萜生产。

研究对象（5）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Synechocystis PCC 6803 单萜生物合成（MEP途径） ls 4S-limonene synthase 催化 来自Mentha spicata，密码子优化，去除叶绿体靶向序列（删除前168 bp）
Synechocystis PCC 6803 单萜生物合成（MEP途径） ps (+)-α-pinene synthase 催化 来自Pinus taeda，密码子优化，去除叶绿体靶向序列（删除前42 bp）
Synechocystis PCC 6803 倍半萜生物合成（MEP途径） ss santalene synthase 催化 来自Santalum album，密码子优化
Synechocystis PCC 6803 倍半萜生物合成（MEP途径） bs E-α-bisabolene synthase 催化 来自Abies grandis，密码子优化
Synechocystis PCC 6803 倍半萜生物合成（MEP途径） fs α-farnesene synthase 催化 来自Picea abies，密码子优化

关键发现

  1. 五种萜烯的最终产量：蒎烯约80 μg/L（21天）、柠檬烯约0.7 mg/L（21天）、α-红没药烯约14 mg/L（21天）、檀香烯异构体总产量约1.4 mg/L（21天）、α-法尼烯约30 mg/L（21天，标准条件30°C/2500 lx）
  2. 法尼烯产量最高，pCFS菌株（质粒表达）产量是染色体整合菌株chrFS的约7倍（26-28 mg/L vs 4 mg/L），同时在质粒和染色体上表达时产量近似相加（约32 mg/L）
  3. 所有产萜烯菌株在5-9个月传代培养中保持产量稳定
  4. 使用尿素替代硝酸盐时，红没药烯和法尼烯产量相当
  5. 较高温度（34°C）或较高光照（3500/5000 lx）降低法尼烯产量。

研究结论

集胞藻Synechocystis PCC 6803更适合生产倍半萜（尤其是法尼烯），而非单萜（尤其是蒎烯），其倍半萜生产能力优于单萜，IPP可能不是萜烯生产的限制因素。