英文原题：Multiple routes toward engineering efficient cyanobacterial photosynthetic biomanufacturing technologies

作者：Jinyu Cui, Huili Sun, Rongze Chen, Jiahui Sun, Guanlan Mo, Guodong Luan*, Xuefeng Lu*

01 论文信息

论文信息

J.Cui, H.Sun, R. Chen, et al. Multiple routes toward engineering efficient cyanobacterial photosynthetic biomanufacturing technologies[J]. Green Carbon 2023 1(2) 210-226.

论文关键词

Cyanobacteria; Photosynthetic biomanufacturing; Net zero emissions; Metabolic engineering; Stressing

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2023.11.004

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Multiple routes toward engineering efficient cyanobacterial photosynthetic biomanufacturing technologies

中文解读原链接

Green Carbon│中国科学院青岛能源所吕雪峰研究员、栾国栋研究员综述：发展蓝细菌光驱固碳合成技术助力碳中和目标实现

02 背景简介

开发二氧化碳捕集、利用和封存技术，可以同时缓解亟待解决的环境和能源压力，是实现“双碳”目标的重要途经。蓝细菌是地球上最早出现的放氧型光合生物，利用其光合固碳过程，将太阳能和CO₂直接转化为重要生物基产品的模式被称为光驱固碳合成技术。蓝细菌光驱固碳合成技术可以同时起到固碳减排和绿色合成的效果，是有望助力“双碳”战略目标实现的新型生物制造技术路线。蓝细菌分布于各种生态环境，具有极为丰富的种质、遗传和代谢多样性，为多样化的光驱固碳合成技术路线开发提供了宝贵的资源基础；而合成生物技术的发展，使得人工设计、合成新型蓝细菌光合细胞工厂成为现实，有效的促进了光合代谢的深度重塑与光合碳流的精准调控，为光驱固碳合成技术的发展注入了新的动力。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所吕雪峰研究员和栾国栋研究员在Green Carbon上发表标题为“Multiple routes toward engineering efficient cyanobacterial photosynthetic biomanufacturing technologies”的综述文章，从基本开发路线、不同应用场景以及存在的挑战等角度，梳理了蓝细菌光驱固碳合成技术的重要进展，并对未来发展方向进行了展望。

03 文章简介

发展背景

在能源危机、空气污染和全球变暖等问题的多重压力下，高效固碳生物炼制已成为探索循环经济新模式的重要策略，被认为是实现“双碳”目标的重要途径。蓝细菌是一类能进行放氧光合作用的原核微生物，能够直接将太阳能和CO₂转化为各种生物基产品。与高等植物相比，蓝细菌体积小、生长速度快、生命周期短，更适合于立体养殖和工业化养殖，能够更有效地利用太阳能和土地资源。目前蓝细菌的开发路线主要有三种类型：“筛选”、“改造”和“激活”。“筛选”路线是指从自然环境中收集、分离天然蓝细菌种质资源并分析鉴定其胞内代谢产物，筛选具有高附加值化合物合成能力和优良工程效能的蓝细菌藻株。“改造”路线是指改造蓝细菌底盘藻株以定制化的合成生物燃料和生物基化学品，或重塑其代谢途径以使更多碳流定向至目标产物合成通路。“激活”路线的重点是通过特殊的培养策略结合组学分析技术，激活沉默的代谢途径和功能模块，诱导高附加值化合物的积累。这三种途径的核心是增强蓝细菌细胞通过光合作用直接转化CO₂合成目标产品（天然或非天然代谢物）的能力，适用于不同场景、不同类型的光驱固碳合成路线开发（图1）。

图1. 蓝细菌光驱固碳合成技术的开发路线

“筛选”路线-Screeing to find

蓝细菌分布于各种生态栖息地，具有极其丰富的种质和遗传代谢多样性，能够通过合成特定的化合物以适应极端的生态环境。筛选合成高附加值化合物的新型蓝细菌藻株是一种历史悠久、广泛应用的光驱固碳合成技术发展策略，其具有技术门槛较低、体系较为成熟等优势。长期以来，已有大量合成不同高附加值化合物（如色素、多糖、脂质和聚-β-羟基丁酸酯PHB）的天然蓝细菌藻株被成功发现，并应用到食品和医药健康等领域。另外，筛选具有优良工程效能（如盐耐受、生长速度快、易于遗传改造）的蓝细菌藻株，对于规模化培养及后续应用至关重要。近期分选和鉴定的一系列具有速生表型的天然藻株，如Synechococcus elongatus UTEX 2973、S. elongatus PCC 11801和S. elongatus PCC 11802等，在最佳培养条件下的生长速度可以达到酵母等异养微生物的水平，展现了良好的工程应用潜力。近年来，单细胞拉曼光谱、液滴微流控等新型筛选技术和平台的发展对于“筛选”路线的发展和应用起到极大的促进作用。结合单细胞拉曼光谱分析，无需培养过程即可实现藻类细胞的代谢分析和物种分类，为高通量、高精度的蓝细菌快速选育奠定了基础。例如，近期研究表明基于单细胞拉曼光谱表征的细胞个体中类胡萝卜素分子的¹³C掺入比率，可区分和测量细胞个体的生长速率和二氧化碳固定速率，能够显著提升蓝细菌速生表型的筛选效率（图2A）。液滴微流控技术也已被成功用于蓝细菌工程藻株的筛选和评价，从突变体文库中成功实现了高产乳酸和乙醇工程菌株的快速分选（图2B）。

图2. 蓝细菌高通量筛选策略的研究（A）基于SCRR-SIP的高通量筛选策略，可用于筛选具有优良工程效能的蓝细菌，（B）基于FADS的高通量筛选策略，可用于筛选具有高附加值化合物的蓝细菌

“改造”路线-Engineering to modify

近年来，合成生物学工具和策略的开发与应用促进了蓝细菌细胞工厂光合代谢的全面重塑，这种“改造”路线主要是通过引入异源基因和重塑内源合成途径等策略驱动各种天然和非天然代谢物的高效合成。近年来，适用于蓝细菌的多种遗传操作工具，如组成型或诱导型启动子、核糖开关、基于成簇规则间隔短回文重复序列（CRISPR）的基因编辑系统和小RNA（sRNA）调控工具等已被成功开发应用，有效支撑了对光合代谢网络的修饰和改造。在合成生物技术工具包不断完善的基础上，还需要发展应用各类代谢工程策略，例如：1）提高合成途径中酶的效率；2）调控溢出代谢以重塑碳流分布；3）增强特定节点的化合物含量；4）电子传递链的改造；5）提高最终产物的分泌；6）平衡细胞增长与产物合成的关系等，以实现卡尔文循环中固定的光合碳流向目标产物合成通路高效重定向（图3）。基于“改造”路线，目前已经成功打通了糖、醇、醛、酮、烃、脂等数十种天然和非天然代谢产物的合成，而产量和产率可达到5～10 g/L和200～300 mg/(L·d) 的水平。例如，2020年，该团队研究人员通过引入来自鱼腥藻的海藻糖合成途径与沉睡摇蚊来源的海藻糖转运蛋白TRET1，成功构建直接固定CO₂、高效合成和分泌海藻糖的聚球藻细胞工厂，胞外海藻糖产量可达5.7 g/L。

图3. 蓝细菌改造的工程策略

“激活”路线-Stressing to activate

对天然蓝细菌种质资源的开发，除了大规模新种质筛选以挖掘藻株和产品外，柔性的环境条件诱导“激活”也是重要的路线。该路线主要是通过特殊的培养条件和策略“激活”蓝细菌沉默代谢途径和功能模块，结合组学分析技术，探究胞内代谢物的变化，实现环境响应型高附加值化合物积累。相比简单的“筛选”路线，该路线将有效拓展对蓝细菌代谢网络的认识和利用。目前广泛应用的“激活”策略包括逆境胁迫、营养限制（氮和磷限制）、化学调节剂添加以及共培养等手段（图4）。蓝细菌中相容性物质的合成和积累是一个典型的逆境胁迫激发特定产物合成的例子。针对特定蓝细菌藻株，通过调节其培养基中的盐浓度，即可引发胞内甘油葡糖苷的大量积累。中国科学院青岛生物能源与过程研究所科研团队基于该策略，成功开发了螺旋藻制备甘油葡糖苷技术，并在国际上率先实现螺旋藻合成甘油葡糖苷技术的产业化应用和产品商业化销售。

图4. 通过不同的胁迫提高蓝细菌中高附加值化学品的产量（虚线代表多个反应）

前景展望

近年来，蓝细菌光驱固碳合成技术因其利用太阳能实现CO₂资源化、高值化一站式利用的优势引起了广泛关注，成为极具潜力的生物基CO₂捕集和利用的路线。随着合成生物技术的迅速发展，使得人工设计、合成新型蓝细菌光合细胞工厂成为现实。但是，目前大多数蓝细菌中合成生物学工具箱的开发仍明显滞后于异养模式菌株，加强其合成生物学工具箱的开发和优化对蓝细菌光驱固碳合成技术发展具有重要的推动意义。选择具有优良底盘性能的蓝细菌对规模化培养具有重要意义，除了筛选速生和抗逆底盘菌株、增强菌株稳定性，通过合成生物学策略拓宽蓝细菌对太阳光的捕集波段、提高其对太阳光的捕集效率和光能的传递效率等也是重要的研究与发展方向。规模化培养过程中，生物污染仍然是多数蓝细菌的关键挑战之一，拓展底物利用范围是一种有效的解决策略，能够同时达到降低生产成本和抑制杂菌污染的效果。无论是传统的遗传操作还是新兴的代谢工程与基因组工程，其潜在的生物安全风险都需要引起重视并针对性的进行限制策略的开发，而高效的防逃逸技术将提高人工遗传改造生命体的可控性。“双碳”目标引导下社会经济发展模式的转型为蓝细菌生物技术和生物工程发展提供了广阔的平台，而蓝细菌合成生物技术的蓬勃发展无疑正成为该领域的全新发展动力。随着越来越多高效、稳定、安全的人工合成蓝细菌光合细胞工厂的开发应用，蓝细菌光驱固碳合成技术的发展将获得更多的助力，相关产业的落地应用也必将不再遥远。

04 文章摘要

Abstract

Developing efficient CO₂ utilization technologies can alleviate the urgent pressure on energy and the environment. Moreover, these technologies are crucial for achieving the goal of net zero emissions. Microalgae are photoautotrophic microorganisms that are the main sources of primary productivity in the biosphere. Cyanobacteria, the only prokaryotic microalgae, have also been considered as promising chassis for photosynthetic biosynthesis, directly converting solar energy and CO₂ into various bio-based products. This technological route is called photosynthetic biomanufacturing, and is advantageous to simultaneous carbon fixation and clean production. This review focuses on development mode, application and suggests trends related to the further development of photosynthetic biomanufacturing. With regard to the link between photosynthetic CO₂ fixation and the production of desired metabolites, we summarized and compared three widely adopted strategies. “Screening to find”, screening a large number of high-quality cyanobacterial resources and analyzing their intracellular metabolites are of significance for screening novel cyanobacterial species with high-value chemicals and properties of industrial relevance. “Engineering to modify”, the emergence and application of synthetic biological tools and metabolic engineering strategies have enhanced the ability to modify different cyanobacterial species to reshape more carbon to flow toward synthetic tailored chemicals. “Stressing to activate”, through special culture conditions and strategies, combined with omics analysis techniques, silent metabolic pathways and functional modules are activated to induce the accumulation of high-value chemicals. This review provides valid and updated information to facilitate the development of photosynthetic biosynthesis route with carbon fixation and clean production, providing specific feasible solutions for net zero emissions.

05 作者简介

吕雪峰 研究员

吕雪峰，研究员，博士生导师，现任中国科学院青岛生物能源与过程研究所所长，微生物制造工程中心负责人，先后入选中国科学院人才计划(2008)、山东省人才计划（2013）、科技部中青年科技创新领军人才计划（2016）、国家人才计划（2018）；主持国家自然科学杰出青年基金（2015）和两项国家重点研发计划项目，担任国家重点研发计划“绿色生物制造”和“可再生能源”重点专项指南编制专家。从事合成生物学与绿色生物制造技术研究，聚焦微藻、丝状真菌、酿酒酵母等典型微生物体系，以新型细胞工厂和生物催化剂的构建为基础，结合过程工程优化，建立了多种能源、化工和医药产品的生物合成技术路线，在Nature Communications、JACS等期刊上发表SCI论文百余篇，获授权专利60余项，完成多项技术转移转化。其中一项成果“新一代生物基绿色增塑剂反式乌头酸酯的关键生产技术开发与应用”获首届全国颠覆性技术创新大赛最高奖，向两家企业完成技术转让；另一项成果“微藻源高值天然产物甘油葡糖苷的先进生物制造技术”，以技术作价入股模式成功孵化一家自主知识产权创业公司。

栾国栋 研究员

栾国栋，研究员，博士生导师，现任中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物制造工程中心副主任、蓝细菌合成生物技术研究组组长；入选中国科学院青年创新促进会、中国科学院特聘研究骨干、山东省人才计划；主持国家自然科学基金（4项）、国家重点研发计划课题、山东省重点研发计划课题等项目。主要从事蓝细菌光合固碳与生物合成研究，开发可控超突变等新型进化工程工具，提升蓝细底盘细胞对高温高光胁迫的适应能力并揭示抗逆机制，实现蓝细菌直接固定二氧化碳高效合成葡萄糖、果糖、乙醇等重要产物；基于相关研究，以第一作者和通讯作者身份在Nature Communications、Biotechnology Advances、ACS Synthetic Biology等期刊上发表论文20余篇。

06 Green Carbon

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