青島能源所藍藻生物液體燃料研究取得系列進展

2020-11-28 中國科學院

藍藻是一類能夠進行植物型放氧光合作用的原核微生物，細胞結構相對簡單，生長迅速，遺傳操作體系成熟，易於基因工程改造。通過基因工程改造藍藻，可以構建高效定向生物合成生物液體燃料的代謝途徑，實現在單一生物體內從太陽能和二氧化碳到生物液體燃料的直接轉化及胞外分泌，對開發新一代光合能源微生物系統、解決生物質資源不足這一生物質能源發展面臨的最大瓶頸問題具有重要意義。基因工程藍藻製備生物液體燃料，近兩年已經引起國際生物質能源學術界與企業界的廣泛關注。

在科技部973計劃、國家自然科學基金、中科院知識創新工程重要方向項目、殼牌公司國際合作項目等大力支持下，中科院青島生物能源與過程研究所生物代謝工程團隊呂雪峰研究員等對基因工程藍藻合成乙醇、脂肪醇、脂肪烴開展了系列研究，相關研究成果已發表在Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuels、Energy and Environmental Science等期刊上。

9月26日，Energy and Environmental Science（DOI: 10.1039/C2EE22675H）在線發表了該團隊基因工程藍藻合成生物乙醇的研究工作。通過在藍藻中引入外源丙酮酸脫羧酶與乙醇脫氫酶，研究實現了乙醇在藍藻細胞的合成。針對藍藻合成乙醇過程中副產物乙醛積累的問題，篩選和表徵了一系列來源於不同藍藻的乙醇脫氫酶酶活性，並將其中催化性質最佳的乙醇脫氫酶替換外源乙醇脫氫酶，提高了藍藻乙醇產量。針對藍藻乙醇產率低的問題，通過在藍藻基因組不同位點引入2個拷貝的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶基因，實現了這兩個關鍵酶在藍藻中的高效表達，使得藍藻乙醇產量大幅提高（5.5 g/L, 212 mg/L/day），這一產量為目前文獻報導的藍藻乙醇最高產量。

此前，研究人員在藍藻中分別引入7個不同來源的脂醯輔酶A還原酶基因，發現其中3個基因的表達被證明能夠實現長鏈脂肪醇在藍藻的合成。這是國內外光合生物細胞中合成脂肪醇的首次報導，為脂肪醇生產提供了一條頗具潛力的技術路線。相關成果發表在Metabolic Engineering（2011, 13:169-176）。

通過基因敲除和表型分析，研究發現脂醯ACP合成酶對於藍藻脂肪烴生物合成至關重要，敲除該基因的突變株，脂肪烴含量下降90%。進一步研究證明，藍藻脂肪烴合成途徑的前體脂醯ACP，主要來源於細胞膜脂的水解，而非脂肪酸從頭合成途徑。這為解析藍藻脂肪烴合成調控機制和基因工程改造藍藻高效合成脂肪烴奠定了基礎（Biotechnology for Biofuels, 2012，5：17）。

以上研究，不僅在技術上實現了生物燃料分子在單一光合藍藻細胞內的合成，而且證明了通過代謝工程和遺傳學相關技術提高藍藻生物燃料合成的潛力，為基因工程藍藻高效製備生物液體燃料的進一步發展奠定了基礎。

論文連結：

1. Energy Environ. Sci., available online 26 Sep 2012, DOI: 10.1039/C2EE22675H

2. Biotechnology for Biofuels, 2012，5：17

3. Metabolic Engineering, 2011, 13:169-176

圖1 藍藻液體燃料的生物合成途徑

圖2 藍藻生物乙醇（A）質粒構建；（B）生長曲線；（C）乙醇產率；（4）關鍵酶活分析

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