💡这项突破是什么?
主要进行光自养底盘细胞能量和物质转化的重要规律解析以及高效光驱固碳细胞工厂的构建，而蓝细菌是构建光合细胞工厂、实现二氧化碳定向转化的重要微生物平台。近期，微生物制造工程中心应用合成生物技术和系统生物技术重塑聚球藻光合代谢网络，成功构建直接利用二氧化碳合成并分泌葡萄糖的细胞工厂，并揭示了决定葡萄糖高产和分泌的分子机制。葡萄糖是自然界含量最丰富的单糖，是细胞的基本能量来源，也发挥着重要代谢调控作用；但葡萄糖在光自养生物中极少以游离单体的形式合成和积累，其光驱固碳生物合成路线长期未能打通。微生物制造工程中心研究人员以聚球藻PCC 7942为底盘，在敲除其内源性葡萄糖激酶基因后，发现无需导入任何外源催化和转运元件，仅通过短期的适应性进化就获得了能够高效分泌葡萄糖的细胞工厂。结合基因组测序和系统的遗传改造验证发现，工程菌株大量合成葡萄糖是因为其胞内存在稳定的“磷酸糖-糖”代谢循环，而葡萄糖激酶基因的敲除导致葡萄糖的磷酸化再利用环节遇阻，葡萄糖在胞内大量积累形成代谢压力；而适应性进化过程中，聚球藻基因组上synpcc7942_1161基因的一个单点突变（G274A）导致该基因转录大幅上调，并发挥葡萄糖外泌蛋白的作用，将葡萄糖分泌至胞外以解除胞内高糖压力。在机制解析的基础上，研究团队结合转录和代谢组分析，实施了进一步代谢工程改造和培养策略优化，最终将葡萄糖产量提高至5 g/L。
图4. 聚球藻葡萄糖激酶缺陷菌株的细胞生长(a)和葡萄糖分泌(b)
该研究揭示了光自养底盘固碳产糖的代谢潜力与可塑性，构建了高效固碳合成葡萄糖的细胞工厂，为未来发展更高效的葡萄糖定向生产技术奠定了基础，相关成果于2023年6月在线发表于Nature Communications；微生物制造工程中心博士生张杉杉和孙佳慧为论文共同第一作者，吕雪峰研究员和栾国栋研究员为论文共同通讯作者。
上述工作中均标注以国家重点研发计划项目“微藻底盘细胞的理性设计和系统改造”为第一资助来源，同时还获得了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、洁净能源创新研究院联合基金以及山东省人才计划的支持。（文/图 栾国栋）
原文链接：
1. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36542-9
Marcus Ziemann#, Viktoria Reimann#, Yajing Liang#, Yue Shi, Honglei Ma, Yuman Xie, Hui Li, Tao Zhu*, Xuefeng Lu*, Wolfgang R. Hess*. CvkR is a MerR-type transcriptional repressor of class 2 type V-K CRISPR-associated transposase systems. Nature Communications 14, 924. (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36542-9
2. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36964-5
Huili Sun#, Guodong Luan#*, Yifan Ma, Wenjing Lou, Rongze Chen, Dandan Feng, Shanshan Zhang, Jiahui Sun，Xuefeng Lu*. Engineered hypermutation adapts cyanobacterial photosynthesis to combined high light and high temperature stress. Nature Communications, 14, 1238 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36964-5.
3. https://www.nature.com/articles/s41467-023-39222-w
Shanshan Zhang#, Jiahui Sun#, Dandan Feng, Huili Sun, Jinyu Cui, Xuexia Zeng, Yannan Wu, Guodong Luan*, Xuefeng Lu*. Unlocking the potentials of cyanobacterial photosynthesis for directly converting carbon dioxide into glucose. Nature Communications,14, 3425 (2023).
