摘要
以蓝细菌为代表的光合微生物，因其能够吸收光能作为能量、固定二氧化碳作为碳源，近年来被广泛地使用作为微生物细胞工厂生产高附加值化学品。然而，其生产力还需要进一步优化。聚球藻UTEX 2973（Synechococcus elongatus UTEX 2973）是新分离得到的具有耐强光、耐高温、快速生长能力的一株蓝细菌，具有很高的应用潜力。与其他模式蓝细菌底盘相比，其胞内乙酰辅酶A含量较低，成为影响底盘高效合成化学品的限制因素之一。光混养培养是在光自养条件下额外添加有机碳源进行培养的方式，被证实能够促进蓝细菌的生长和代谢产物的积累，但目前在聚球藻UTEX 2973中没有光混养培养研究的相关报道。 木糖是木质纤维素的主要成分，是自然界中仅次于葡萄糖的第二大糖类。然而，野生型蓝细菌不具备利用木糖的能力。为实现聚球藻UTEX 2973利用木糖进行光混养生长，本研究首先在聚球藻UTEX 2973中表达了E. coli来源的木糖利用基因（xylEBA），结果发现工程菌在添加6 g/L木糖的光混养条件下的生长速度、细胞干重都显著增加，同时乙酰辅酶A的含量增加了379.2%。进一步分析中心碳代谢途径中关键代谢物的含量发现，光混养条件下F6P、FBP、R5P、E4P和G3P的含量显著提高，尤其是F6P提高了约21.5倍，证实了光混养培养能够增强聚球藻UTEX 2973碳代谢和提高乙酰辅酶A的含量。为了进一步改造中心碳代谢通路提高乙酰辅酶 A 的含量，我们设计了以下两个对中心碳代谢的改造方案：一）过表达Anabaena sp. PCC 7120来源的磷酸转酮酶基因（all1483），加强磷酸转酮酶途径；二）敲除磷酸果糖激酶基因（M744_13890）同时过表达果糖二磷酸酶基因（M744_04600），增加底物（F6P）的含量。结果发现改造后的工程菌中胞内乙酰辅酶A含量分别增加了24.6%和163.1%。最后，为了验证以上工程化改造用于化学品生物合成的效果，分别在木糖利用工程菌株中引入异源 3-羟基丙酸（3-HP）生物合成途径。结果发现，在基于木糖的光混养条件下，重新连接中心碳代谢途径的工程菌株中3-HP产量比未改造的生产菌株提高了近2倍。 本研究通过木糖利用工程菌的构建，证实了补充有机碳源进行光混养培养能够促进聚球藻UTEX 2973的生长速率和化学品的合成能力。此外，利用系统生物工程手段对中心碳代谢的改造提高了在混养条件下乙酰辅酶 A 的合成，并最终提高终产品的产量。值得指出的是，该策略不局限于3-HP的生物合成，也适用于其他以乙酰辅酶 A 为前体的生物化学品和生物燃料，为未来以光合蓝细菌为底盘的合成生物学研究提供了重要的理论基础。
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