青島源所針對藍(lán)細(xì)菌合成生物學(xué)研究連續(xù)發(fā)表重要綜述
光合生物制造技術(shù)是指以光合生物為平臺，將太陽能和二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為生物燃料和生物基化學(xué)品的技術(shù)，可以在單一平臺、單一過程中同時取得固碳減排和綠色生產(chǎn)的效果。藍(lán)細(xì)菌是極具潛力的光合微生物平臺，相比較于高等植物和真核微藻，具有結(jié)構(gòu)相對簡單、生長快速、光合效率高、遺傳操作便捷等優(yōu)勢，易于進(jìn)行光合細(xì)胞工廠的開發(fā)。藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠開發(fā)和優(yōu)化的重要方向是對胞內(nèi)光合碳流分配模式的調(diào)控和重塑，使更多的碳流向目標(biāo)代謝產(chǎn)品的合成。糖原代謝是藍(lán)細(xì)菌中重要的天然碳匯機(jī)制，儲存了光合作用固定的碳和能量中超出細(xì)胞生長代謝所需的溢出部分。藍(lán)細(xì)菌代謝工程領(lǐng)域傳統(tǒng)上將糖原合成視為光合細(xì)胞工廠中目標(biāo)產(chǎn)物合成的重要競爭途徑，目前已經(jīng)有大量通過阻斷和弱化糖原合成途徑來提高目標(biāo)產(chǎn)物合成、優(yōu)化藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠效能的嘗試案例，然而大多數(shù)案例未能取得效果，不同研究團(tuán)隊的類似操作甚至取得了矛盾的結(jié)果。
青島能源所微生物代謝工程研究組前期圍繞藍(lán)細(xì)菌糖原代謝調(diào)控策略，以及糖原代謝擾動對藍(lán)細(xì)菌生理和代謝功能影響的研究取得了系列成果，在此基礎(chǔ)上，近期該研究組在生物技術(shù)領(lǐng)域重要綜述期刊Biotechnology Advances上發(fā)表了題為“Progress and perspective on cyanobacterial glycogen metabolism engineering”的綜述論文，對藍(lán)細(xì)菌糖原代謝工程的進(jìn)展和前景進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和展望。
基于對藍(lán)細(xì)菌糖原代謝工程改造靶點、改造策略、以及生理和代謝功能影響的全面總結(jié)，微生物代謝工程研究組的研究人員提出，隨著合成生物學(xué)和代謝工程策略和工具的不斷開發(fā)和優(yōu)化，對藍(lán)細(xì)菌糖原代謝（合成、降解和儲備）的調(diào)控技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而，在此基礎(chǔ)上要全面深入的認(rèn)識藍(lán)細(xì)菌糖原代謝的生理代謝功能，進(jìn)而開發(fā)出能夠有效優(yōu)化細(xì)胞工廠效能的藍(lán)細(xì)菌糖原代謝工程策略則仍有很長的路要走。如圖1所示，糖原代謝對藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞生理和代謝功能的影響可以總結(jié)為兩個方面：（1）作為最主要的天然碳匯機(jī)制，吸收光合固碳的“溢出”部分，保持光合碳流-能量流“輸入”和“輸出”的動態(tài)平衡；（2）作為重要的生理保護(hù)機(jī)制，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持。藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠中，簡單的阻斷糖原合成、移除糖原儲備，會抑制藍(lán)細(xì)菌光合效能、降低藍(lán)細(xì)菌生理和代謝魯棒性，最終限制目標(biāo)代謝產(chǎn)物合成能力的提升。未來，在糖原代謝擾動的基礎(chǔ)上，對人工引入的代謝模塊進(jìn)行針對性設(shè)計，驅(qū)動細(xì)胞中能量-還原力、氧化-還原、光合-光呼吸等生理和代謝狀態(tài)重平衡的實現(xiàn)，輔之以細(xì)胞生理保護(hù)機(jī)制的改造和強(qiáng)化，將有望實現(xiàn)對光合碳流真正有效的優(yōu)化和控制，進(jìn)而大幅提高藍(lán)細(xì)菌光合生物制造的效能。
近期，微生物代謝工程研究組還應(yīng)邀在生物技術(shù)領(lǐng)域另一重要期刊Current Opinion in Biotechnology上發(fā)表了題為“Engineering cyanobacteria chassis cells toward more efficient photosynthesis”的觀點性綜述論文，對面向未來光合生物制造需求的藍(lán)細(xì)菌合成生物技術(shù)底盤細(xì)胞的設(shè)計原則、改造策略和發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)和展望。
在過去的二十年間，藍(lán)細(xì)菌光合生物制造技術(shù)在概念上已經(jīng)得到充分驗證，已經(jīng)實現(xiàn)了基于藍(lán)細(xì)菌光合底盤的數(shù)十種天然或非天然代謝產(chǎn)物的光驅(qū)固碳合成。然而，目前藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠無論是產(chǎn)量還是生產(chǎn)強(qiáng)度上較之經(jīng)典的異養(yǎng)細(xì)胞工廠（大腸桿菌、酵母、乳酸菌、枯草芽孢桿菌等）都有著數(shù)量級的差距。從根本上分析，藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠效能受制于其底盤細(xì)胞光合固碳系統(tǒng)的效率，高效的光合作用對于解鎖藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠的合成潛能至關(guān)重要。近年來，海量系統(tǒng)生物學(xué)數(shù)據(jù)的快速積累和高效合成生物技術(shù)工具的開發(fā)為藍(lán)細(xì)菌底盤細(xì)胞光合固碳系統(tǒng)的功能認(rèn)識和系統(tǒng)改造打開了大門，具有高溫高光耐受能力和快速生長能力的新型藍(lán)細(xì)菌藻株的發(fā)現(xiàn)和鑒定也為光合系統(tǒng)改造策略的設(shè)計提供了更多可借鑒的思路。微生物代謝工程研究組的研究人員比較、分析了上述兩方面的最新研究進(jìn)展，從光能捕集利用和二氧化碳固定轉(zhuǎn)化兩個層次，系統(tǒng)總結(jié)了“拓寬吸收光譜”、“提高強(qiáng)光耐受能力”、“提高光能傳遞和利用效率”、“加強(qiáng)碳源吸收能力”、“強(qiáng)化碳源固定效率”“減少碳代謝損失”等六種提高藍(lán)細(xì)菌底盤細(xì)胞光合固碳能力的工程策略（圖2）。進(jìn)而提出，著眼未來大規(guī)模工業(yè)化體系下的藍(lán)細(xì)菌工程藻株的培養(yǎng)和應(yīng)用，除了從“硬件”角度升級光合作用系統(tǒng)的組分和途徑外，還應(yīng)該從“軟件”角度考慮發(fā)展快速感知和智能響應(yīng)系統(tǒng)，使藍(lán)細(xì)菌底盤細(xì)胞和工程藻株可以針對多變、嚴(yán)苛的環(huán)境條件進(jìn)行柔性適應(yīng)，差異性的激活與之適配的光合固碳模式，實現(xiàn)光合固碳和定向合成的動態(tài)平衡，最大化的提升光合細(xì)胞工廠合成產(chǎn)出。
圖1.藍(lán)細(xì)菌糖原代謝的生理和代謝功能
圖2.藍(lán)細(xì)菌光合固碳能力的改造和認(rèn)識策略
相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目以及中科院先導(dǎo)專項等項目的支持。（文/圖 欒國棟）
參考文獻(xiàn)：
1.Guodong Luan*, Shanshan Zhang, Min Wang, Xuefeng Lu*, 2019, Progress and perspective on cyanobacterial glycogen metabolism engineering, Biotechnology Advances, https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.04.005.
原文鏈接：
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0734-9750(19)30064-3
2.Guodong Luan#，Shanshan Zhang#，Xuefeng Lu*, 2019,Engineering cyanobacteria chassis cells toward more efficient photosynthesis, Current Opinion in Biotechnology，doi: 10.1016/j.copbio.2019.07.004.
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166919300473via%3Dihub.
