文章题目：Unlocking the potentials of cyanobacterial photosynthesis for directly converting carbon dioxide into glucose

发表期刊：Nature Communications

影响因子：16.6（2023）

通讯单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所

        葡萄糖在自然界中作为最丰富的单糖分子，其分解通过多种途径为细胞提供能量和碳源，驱动细胞机器的运作。葡萄糖及其衍生物不仅参与各种大分子和细胞组分的合成且在生物精炼行业中作为重要的原料，支持多种微生物细胞工厂的培养。在自然界中，葡萄糖主要通过植物和藻类的光合作用合成，并以多糖的单体形式存在于植物或藻类生物质中，例如纤维素和淀粉。目前，植物-生物质-糖路线主导着大规模的葡萄糖供应，其经济可行性受到多方面的影响，例如植物的种植周期、生物质采集半径和预处理成本。在全球气候危机和日益恶化的粮食短缺的背景下，开发更高效、连续和工业化的葡萄糖生产路线具有价值。近年来，通过化学-生化、电化学-生物和体外级联酶路线，已经实现了将二氧化碳直接转化为葡萄糖、葡萄糖前体和葡萄糖聚合物。然而，连续葡萄糖生产尚未成功地直接与光合作用联系起来。在光自养生物中，例如高等植物和藻类，葡萄糖作为碳和能源的储存物质合成，并发挥重要的调控作用。葡萄糖代谢与光系统具有复杂的相互作用，蓝细菌是一类产氧的原核微藻，通过基因操作已经取得了促进天然或非天然糖类直接合成和分泌的一些进展。然而，光合作用合成葡萄糖的研究尚未深入进行。重组菌株只能产生有限量的葡萄糖，并伴随其他糖类的产生，这表明光自养生物中葡萄糖代谢的更详细机制有待揭示。近日，青岛能源所微生物制造工程中心吕雪峰课题组通过蓝细菌Synechococcus elongatus PCC 7942（以下简称PCC 7942）光合作用直接稳定地将二氧化碳转化为葡萄糖，并确定了限制葡萄糖合成代谢潜力的瓶颈。该工作在《Nature Communications》期刊上在线发表。葡萄糖激酶在磷酸化葡萄糖和启动多样化糖酵解过程中起着关键作用，且该研究表明在PCC 7942中，蔗糖的合成-降解循环在盐胁迫诱导条件下依然活跃，并且葡萄糖激酶活性充当了一个"泄洪闸门"，使得葡萄糖无法过度积累。通过对两个葡萄糖激酶基因进行了敲除，该藻株直接具有了高效合成和分泌葡萄糖的能力，在柱式反应器中，其胞外葡萄糖产量达到1.5 g/L（占总葡萄糖产量的95%以上，比合成速率超出此前报道10倍），这意味着在未导入任何外源催化和转运模块的前提下，葡萄糖激酶的缺失直接“激活”了未知的葡萄糖合成和分泌机制，葡萄糖激酶对通过磷酸化过程将葡萄糖回收到中心代谢网络中起着关键作用，这一机制有潜力避免葡萄糖的分泌和积累带来的潜在能量损失和代谢干扰。

图1 表达异源葡萄糖转运体对葡萄糖激酶缺失株PPC 7942的影响

图2 葡萄糖激酶缺失株中葡萄糖代谢途径验证

        为了实现有效的葡萄糖转运，该研究在PCC 7942中整合了异源转运蛋白GalP，这减轻了潜在的胞内代谢或生理应激。相比之下，在不引入异源转运蛋白的情况下，通过长期培养过程中的自发突变（Synpcc7942_1161-G274A），产生并富集了突变菌株，使其具有更好的葡萄糖合成和分泌能力。通过人工遗传改造与代谢应激诱导的自发基因组突变的结合，可以更有效地重构代谢流。

图3 菌株Synpcc7942_1161-G274A中葡萄糖分泌验证

图4 葡萄糖激酶缺陷株的碳代谢途径分析                

        通过加强蔗糖合成途径、优化碳流分配的代谢工程策略，并结合半连续罐上培养策略，进一步增加至5 g/L。该研究为利用太阳能和二氧化碳开发和工业化更直接、持续的葡萄糖生产系统提供了启示。

        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39222-w.

作者：姚志远

审核：李全才

编辑：邵萌

 如有侵权，请联系删除