藍細菌合成生物學研究進展

　　光合生物制造技術是指以光合生物為平臺，將太陽能和二氧化碳直接轉化為生物燃料和生物基化學品的技術，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的效果。藍細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，具有結構相對簡單、生長快速、光合效率高、遺傳操作便捷等優勢，易于進行光合細胞工廠的開發。藍細菌光合細胞工廠開發和優化的重要方向是對胞內光合碳流分配模式的調控和重塑，使更多的碳流向目標代謝產品的合成。糖原代謝是藍細菌中重要的天然碳匯機制，儲存了光合作用固定的碳和能量中超出細胞生長代謝所需的溢出部分。藍細菌代謝工程領域傳統上將糖原合成視為光合細胞工廠中目標產物合成的重要競爭途徑，目前已經有大量通過阻斷和弱化糖原合成途徑來提高目標產物合成、優化藍細菌光合細胞工廠效能的嘗試案例，然而大多數案例未能取得效果，不同研究團隊的類似操作甚至取得了矛盾的結果。

　　中國科學院青島生物能源與過程研究所微生物代謝工程研究組前期圍繞藍細菌糖原代謝調控策略，以及糖原代謝擾動對藍細菌生理和代謝功能影響的研究取得了系列成果，在此基礎上，近期該研究組在生物技術領域綜述期刊Biotechnology Advances上發表了題為Progress and perspective on cyanobacterial glycogen metabolism engineering 的綜述論文，對藍細菌糖原代謝工程的進展和前景進行了系統的總結和展望。

　　基于對藍細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，微生物代謝工程研究組的研究人員提出，隨著合成生物學和代謝工程策略和工具的不斷開發和優化，對藍細菌糖原代謝（合成、降解和儲備）的調控技術已經非常成熟。然而，在此基礎上要全面深入地認識藍細菌糖原代謝的生理代謝功能，進而開發出能夠有效優化細胞工廠效能的藍細菌糖原代謝工程策略則仍有很長的路要走。如圖1所示，糖原代謝對藍細菌細胞生理和代謝功能的影響可以總結為兩個方面：（1）作為最主要的天然碳匯機制，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”的動態平衡；（2）作為重要的生理保護機制，促進細胞內穩態的維持。藍細菌光合細胞工廠中，簡單的阻斷糖原合成、移除糖原儲備，會抑制藍細菌光合效能、降低藍細菌生理和代謝魯棒性，最終限制目標代謝產物合成能力的提升。未來，在糖原代謝擾動的基礎上，對人工引入的代謝模塊進行針對性設計，驅動細胞中能量-還原力、氧化-還原、光合-光呼吸等生理和代謝狀態重平衡的實現，輔之以細胞生理保護機制的改造和強化，將有望實現對光合碳流真正有效的優化和控制，進而大幅提高藍細菌光合生物制造的效能。

　　近期，微生物代謝工程研究組還應邀在生物技術領域另一期刊Current Opinion in Biotechnology上發表了題為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細菌合成生物技術底盤細胞的設計原則、改造策略和發展方向進行了總結和展望。

　　在過去的二十年間，藍細菌光合生物制造技術在概念上已經得到充分驗證，已經實現了基于藍細菌光合底盤的數十種天然或非天然代謝產物的光驅固碳合成。然而，目前藍細菌光合細胞工廠無論是產量還是生產強度上較之經典的異養細胞工廠（大腸桿菌、酵母、乳酸菌、枯草芽孢桿菌等）都有著數量級的差距。從根本上分析，藍細菌光合細胞工廠效能受制于其底盤細胞光合固碳系統的效率，高效的光合作用對于解鎖藍細菌光合細胞工廠的合成潛能至關重要。近年來，海量系統生物學數據的快速積累和高效合成生物技術工具的開發為藍細菌底盤細胞光合固碳系統的功能認識和系統改造打開了大門，具有高溫高光耐受能力和快速生長能力的新型藍細菌藻株的發現和鑒定也為光合系統改造策略的設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展，從光能捕集利用和二氧化碳固定轉化兩個層次，系統總結了“拓寬吸收光譜”、“提高強光耐受能力”、“提高光能傳遞和利用效率”、“加強碳源吸收能力”、“強化碳源固定效率”“減少碳代謝損失”等六種提高藍細菌底盤細胞光合固碳能力的工程策略（圖2）。進而提出，著眼未來大規模工業化體系下的藍細菌工程藻株的培養和應用，除了從“硬件”角度升級光合作用系統的組分和途徑外，還應該從“軟件”角度考慮發展快速感知和智能響應系統，使藍細菌底盤細胞和工程藻株可以針對多變、嚴苛的環境條件進行柔性適應，差異性地激活與之適配的光合固碳模式，實現光合固碳和定向合成的動態平衡，最大化地提升光合細胞工廠合成產出。

　　相關研究得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金重大基礎研究項目以及中科院先導專項等的支持。