蓝细菌是唯一可进行放氧光合作用的原核微生物,基于光合蓝细菌构建"自养型细胞工厂"具有广阔前景.但以蓝细菌作为底盘进行生物燃料及化学品的合成仍存在细胞耐受能力差、产量低等问题,导致实现工业化生产的经济可行性还比较低,亟需通过合成生物学等技术手段构建新的藻株.近年来,实验室适应性进化(adaptive laboratory evolution,ALE)已被用于底盘工程中,实现了优化生长速度、增加耐受性、加强底物利用和提高产品产量等目标.ALE 在提高蓝细菌鲁棒性方面取得了一定进展,已获得了耐受高光、重金属离子、高盐和高浓度有机溶剂胁迫的进化藻株.但是,蓝细菌中的 ALE 策略效率相对较低,耐受各胁迫的分子机制并未阐释完全.本文综述了ALE 相关技术策略及其在蓝细菌底盘工程中的应用,讨论了如何借鉴其他微生物中 ALE 手段,构建更大 ALE 突变文库、增加菌株的突变频率、缩短进化时间、探索多重胁迫耐受工程菌构建原则及研究策略等,高效解析进化菌株的突变体库,构建高产量、鲁棒性强的工程菌株等,以期未来促进蓝细菌底盘的改造及其工程菌的规模化应用.

光合生物制造技术是指以光合自养生物为底盘,通过光合固碳过程,将太阳能和二氧化碳直接转化为生物燃料和生物基化学品的全新生物制造模式.发展光合生物制造技术可以同时实现固碳减排和清洁生产.蓝细菌是极具潜力的微生物光合底盘,也为光合生物制造技术开发高效的光驱固碳细胞工厂提供了重要平台.着眼于未来的规模化应用需求,蓝细菌光驱固碳细胞工厂需要在物质能量转化效率、工业过程中的生长和生产稳定性以及与工程过程的适配性这三方面进一步提升.现从光能的捕集和利用、碳源的固定和转化、逆境胁迫的适应以及工程过程的适配这四个角度,介绍了如何应用合成生物学工具和策略,人工设计、开发进而优化蓝细菌光驱固碳细胞工厂,以满足光合生物制造技术大规模应用的需要;最后,总结、介绍了本领域的最新研究进展,并对未来发展方向进行了展望.

发展“液态阳光”被认为是解决化石燃料枯竭的关键技术之—.β-石竹烯是高性能的萜烯化合物,作为潜在的航空高密度燃料备受瞩目.新型光合蓝细菌底盘聚球藻UTEX 2973倍增时间短至1.5h且耐受高温高光,利用光和CO2合成β-石竹烯具有很大的发展前景.为此,文中在聚球藻UTEX 2973中通过构建β-石竹烯合成途径、优化相关关键合酶、增强前体供应等一系列策略实现了在摇瓶中约121.22 μg/L β-石竹烯的合成(96 h).在此基础上,通过培养条件的优化实现在光生物反应器中进行高密度培养,最终β-石竹烯产量达到约212.37 μg/L (96 h).这是目前报道的蓝细菌底盘中β-石竹烯的最高产量,为未来利用光和CO2直接合成高密度燃料打下基础.

蓝细菌是当前合成生物学研究的热门底盘生物之一,是光合自养底盘微生物的典型代表.随着化石资源的逐渐枯竭和碳排放所导致的全球变暖问题的加剧,以CO2为碳源的蓝细菌细胞工厂的研究又迎来了一次新的浪潮.长期以来,人们对于蓝细菌细胞工厂的关注点主要是在生物能源的生产,比如液体燃料及氢气等.蓝细菌细胞工厂研究的主要瓶颈之一是其低效率导致的经济性问题.这一问题对于成本异常敏感的能源产品而言尤其突出.聚合物作为人类生产生活的重要基础,属于附加值较大的大宗化学品,对克服蓝细菌细胞工厂商业化所面临的经济性问题具有优势,近来得到了越来越多的关注.本文对蓝细菌的聚合物单体生产的相关研究进行了系统综述,阐述了各类单体的增产策略,并回顾了蓝细菌细胞工厂应用的相关技术,提出了蓝细菌合成生物学的应用领域所存在的问题并对未来的研究进行了展望.

角鲨烯因具有很强的抗氧化、抗菌和抗肿瘤活性,被普遍应用于医药、保健品和化妆品等领域.文中在实验室构建的高效合成萜类化合物底盘菌株工作的基础上,以角鲨烯为目标产物,通过过表达法尼基焦磷酸合酶基因ispA得到高效合成三萜化合物的底盘菌株;然后对原核生物来源的角鲨烯合酶进行系统发育分析、筛选、克隆和表达,得到两株高效合成角鲨烯的大肠杆菌Escherichia coli工程菌株.其中,导入来源于嗜热蓝细菌Thermosynechococcus elongatus和深蓝聚球蓝细菌Synechococcus lividus的角鲨烯合酶的工程菌株,角鲨烯产量分别达到(16.5±1.4)mg/g(细胞干重含量,后同)和(12.0±l.9) mg/g,发酵液浓度达到(167.1士14.3) mg/L和(121.8±19.5)mg/L.相比于当前普遍使用的人源角鲨烯合酶及初代菌株,来源于T.elongatus和S.lividus的角鲨烯合酶分别使角鲨烯产量大幅提升了3.3倍和2.4倍,为原核细胞异源合成角鲨烯打下坚实的基础.

蓝细菌是重要的光合自养微生物,也是最具潜力的光合微生物底盘之一,被广泛应用于光驱固碳细胞工厂的开发.糖原是蓝细菌最重要的天然碳汇物质,糖原代谢对蓝细菌光合碳流的分配和调控具有重要意义.为了优化蓝细菌光合细胞工厂的合成效能,驱动更多的光合碳流重定向至目标代谢产物的合成,已经有多种策略和方法被成功开发用于调控蓝细菌的糖原代谢和糖原含量.然而,作为具有全局效应的重要碳汇机制,针对糖原代谢的调控往往对蓝细菌底盘藻株的光合生理和代谢网络造成复杂的影响,在不同光合细胞工厂合成效能优化上取得的效果也不尽相同.文中梳理了蓝细菌糖原代谢工程的最新进展,对糖原代谢调控造成的生理、代谢影响进行了介绍和分析,进而对通过糖原代谢调控来优化光合细胞工厂效能的研究前景进行了展望.