藍(lán)藻是一類能夠進(jìn)行植物型放氧光合作用的原核微生物，細(xì)胞結(jié)構(gòu)相對簡單，生長迅速，遺傳操作體系成熟，易于基因工程改造。通過基因工程改造藍(lán)藻，可以構(gòu)建高效定向生物合成生物液體燃料的代謝途徑，實(shí)現(xiàn)在單一生物體內(nèi)從太陽能和二氧化碳到生物液體燃料的直接轉(zhuǎn)化及胞外分泌，對開發(fā)新一代光合能源微生物系統(tǒng)、解決生物質(zhì)資源不足這一生物質(zhì)能源發(fā)展面臨最大的瓶頸問題具有重要意義。基因工程藍(lán)藻制備生物液體燃料，近兩年已經(jīng)引起國際上生物質(zhì)能源學(xué)術(shù)界與企業(yè)界的廣泛關(guān)注。
在國家科技部973、國家自然科學(xué)基金、中科院知識創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目、殼牌公司國際合作項(xiàng)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(tuán)隊(duì)呂雪峰研究員等對基因工程藍(lán)藻合成乙醇、脂肪醇、脂肪烴開展了系列研究，相關(guān)研究成果已發(fā)表在Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuels、Energy and Environmental Science等期刊上。
2012年9月26日，Energy and Environmental Science（DOI: 10.1039/C2EE22675H）在線發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)基因工程藍(lán)藻合成生物乙醇的研究工作。通過在藍(lán)藻中引入外源丙酮酸脫羧酶與乙醇脫氫酶，實(shí)現(xiàn)了乙醇在藍(lán)藻細(xì)胞的合成。針對藍(lán)藻合成乙醇過程中副產(chǎn)物乙醛積累的問題，篩選和表征了一系列來源于不同藍(lán)藻的乙醇脫氫酶酶活性，并將其中催化性質(zhì)最佳的乙醇脫氫酶替換外源乙醇脫氫酶，提高了藍(lán)藻乙醇產(chǎn)量。針對藍(lán)藻乙醇產(chǎn)率低的問題，通過在藍(lán)藻基因組不同位點(diǎn)引入2個(gè)拷貝的丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶基因，實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)關(guān)鍵酶在藍(lán)藻中的高效表達(dá)，使得藍(lán)藻乙醇產(chǎn)量大幅提高（5.5 g/L, 212 mg/L/day），這一產(chǎn)量為目前文獻(xiàn)報(bào)道的藍(lán)藻乙醇最高產(chǎn)量。
通過在藍(lán)藻中分別引入7個(gè)不同來源的脂酰輔酶A還原酶基因，其中3個(gè)基因的表達(dá)被證明能夠?qū)崿F(xiàn)長鏈脂肪醇在藍(lán)藻的合成。這是國內(nèi)外光合生物細(xì)胞中合成脂肪醇的首次報(bào)道，為脂肪醇生產(chǎn)提供了一條頗具潛力的技術(shù)路線。相關(guān)成果發(fā)表在Metabolic Engineering（2011, 13:169-176）。
通過基因敲除和表型分析，發(fā)現(xiàn)脂酰ACP合成酶對于藍(lán)藻脂肪烴生物合成至關(guān)重要，敲除該基因的突變株，脂肪烴含量下降90%。進(jìn)一步研究證明，藍(lán)藻脂肪烴合成途徑的前體脂酰ACP，主要來源于細(xì)胞膜脂的水解，而非脂肪酸從頭合成途徑；這為解析藍(lán)藻脂肪烴合成調(diào)控機(jī)制和基因工程改造藍(lán)藻高效合成脂肪烴奠定了基礎(chǔ)（Biotechnology for Biofuels, 2012，5：17）。
以上研究，不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了生物燃料分子在單一光合藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的合成，而且證明了通過代謝工程和遺傳學(xué)相關(guān)技術(shù)提高藍(lán)藻生物燃料合成的潛力，為基因工程藍(lán)藻高效制備生物液體燃料的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
原文鏈接：
1. Energy Environ. Sci., available online 26 Sep 2012, DOI: 10.1039/C2EE22675H
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/ee/c2ee22675h
2. Biotechnology for Biofuels, 2012，5：17
http://www.biotechnologyforbiofuels.com/content/5/1/17
3. Metabolic Engineering, 2011, 13:169-176
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1096717611000024
圖1 藍(lán)藻液體燃料的生物合成途徑
圖2 藍(lán)藻生物乙醇
（A）質(zhì)粒構(gòu)建；（B）生長曲線；（C）乙醇產(chǎn)率；（4）關(guān)鍵酶活分析
