Lipid production in association of filamentous fungi with genetically modified cyanobacterial cells
- 作者
- Ana F. Miranda, Mohamed Taha, Digby Wrede, Paul Morrison, Andrew S. Ball, Trevor Stevenson, Aidyn Mouradov
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2015）
- DOI
- 10.1186/s13068-015-0364-2
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
降低微藻/蓝藻生物燃料生产成本，特别是收获成本（可占生物燃料总成本50%）、营养供给和油脂提取成本高的问题
研究策略
利用丝状真菌烟曲霉（Aspergillus fumigatus）与野生型及基因工程改造的集胞藻PCC 6803共培养，通过真菌辅助生物絮凝收获蓝藻细胞，同时以蓝藻分泌的游离脂肪酸为碳源促进真菌脂质积累，实现协同生产脂质和废水处理
核心内容
本研究构建了丝状真菌烟曲霉与野生型及多种基因工程集胞藻PCC 6803菌株的共培养体系，旨在降低微藻生物燃料的生产成本。通过真菌辅助生物絮凝收获蓝藻细胞，同时利用蓝藻分泌的游离脂肪酸作为真菌碳源，实现协同脂质生产。结果显示，烟曲霉在24小时内对蓝藻的絮凝效率达86%，48小时达97%。共培养中，烟曲霉与游离脂肪酸分泌菌株SD277形成的颗粒生物量比单培养加和高2.7倍，脂质产量提高1.9倍；与绿色回收菌株SD262共培养时，生物量提升12倍，脂质提升1.5倍。基因工程菌株SD277分泌的游离脂肪酸达细胞干重的12%，CO2限制诱导的脂肪酶回收菌株SD257在限碳后脂肪酸分泌增加21倍，回收率达32%。在25%猪场废水中，共培养颗粒48小时内去除89%的氨氮和75%的磷酸盐，同时生物量增加2.3倍、脂质增加1.5倍。该策略将收获、营养供给和废水处理整合于一步，为经济可行的蓝藻生物燃料生产提供了新途径。
创新点
首次证明烟曲霉能高效絮凝集胞藻及其基因工程菌株；共培养体系中总脂质产量高于各组分单独培养的加和；使用畜牧业废水作为氮磷源实现协同生物修复
研究对象（10）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD216, SD232, SD277) | 游离脂肪酸分泌 | tesA | TesA (acyl-ACP thioesterase) | 催化 | 组成型表达细菌硫酯酶，增加游离脂肪酸产生和分泌 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD232, SD277, SD262) | 游离脂肪酸分泌 | sll1951 | Sll1951 (表面蛋白) | 转运 | 缺失该基因削弱细胞壁，促进游离脂肪酸扩散到培养基 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (所有SD菌株) | 脂肪酸生物合成 | slr1609 | Slr1609 (acyl-ACP合成酶) | 催化 | 缺失该基因阻止FFA进入竞争性代谢途径 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD232, SD277) | 游离脂肪酸分泌 | ChFatB2 | ChFatB2 (硫酯酶) | 催化 | 来自樟树的14:0-ACP硫酯酶，促进C14:0分泌 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD232, SD277) | 游离脂肪酸分泌 | UcFatB1 | UcFatB1 (硫酯酶) | 催化 | 来自加州月桂的12:0-ACP硫酯酶，促进C12:0分泌 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD277) | 游离脂肪酸分泌 | CCFatB1 | CCFatB1 (硫酯酶) | 催化 | 来自樟树的14:0-ACP硫酯酶 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD257, SD262) | 绿色回收 (脂质降解) | shl | Shl (脂肪酶) | 催化 | 来自金黄色葡萄球菌的脂肪酶，在CO2限制条件下表达，降解膜脂释放FFA |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD256, SD262) | 绿色回收 (脂质降解) | fol | Fol (脂肪酶) | 催化 | 来自尖孢镰刀菌的脂肪酶，在CO2限制条件下表达 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD262) | 绿色回收 (脂质降解) | gpl | Gpl (脂肪酶) | 催化 | 来自豚鼠的脂肪酶，在CO2限制条件下表达 |
| Synechocystis sp. PCC 6803 (SD256, SD257, SD262) | 绿色回收 (脂质降解) | CO2限制诱导型启动子 | — | 调控 | 控制脂肪酶基因在CO2限制条件下表达 |
关键发现
- 烟曲霉/葡萄糖培养物在24小时絮凝效率达86%，48小时达97%
- 烟曲霉/处理小麦秸秆24小时达68%，48小时80-90%。共培养中，烟曲霉/GLU-SD277 pellets的生物量比单培养加和高2.7倍，脂质产量高1.9倍
- SD262 pellets生物量提高12倍，脂质提高1.5倍。基因工程菌株SD277分泌游离脂肪酸达12% DW，比SD232高1.3倍
- 绿色回收菌株SD257在CO2限制后分泌FFA增加21倍，FFA回收率32%。在25%猪场废水中，烟曲霉-SD100 pellets在48小时内去除89% NH4-N和75% PO4-P，生物量增加2.3倍，脂质增加1.5倍。
研究结论
真菌辅助絮凝可高效收获野生型和基因工程集胞藻PCC 6803细胞，并在真菌-蓝藻颗粒中积累高产量脂质，同时可用于废水处理，为大规模生物燃料生产提供经济可行的策略。