當(dāng)今社會發(fā)展正面臨著嚴(yán)重的資源短缺和環(huán)境污染問題，在此背景下，發(fā)展光合生物制造技術(shù)，以太陽能和二氧化碳為原料實(shí)現(xiàn)生物燃料和生物基化學(xué)品的清潔生產(chǎn)成為推動可持續(xù)發(fā)展的重要選擇之一。藍(lán)細(xì)菌是一種極具潛力的光合微生物底盤細(xì)胞，具有結(jié)構(gòu)簡單、生長快速、遺傳操作便捷等優(yōu)勢，適宜于光驅(qū)固碳細(xì)胞工廠的開發(fā)。 青島能源所微生物代謝工程團(tuán)隊(duì)（http://mme.qibebt.ac.cn/）長期致力于藍(lán)細(xì)菌代謝工程和合成生物學(xué)研究，以發(fā)展光合生物制造技術(shù)體系為導(dǎo)向，系統(tǒng)應(yīng)用合成生物學(xué)和代謝工程技術(shù)手段，開發(fā)藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠新型設(shè)計(jì)原則和構(gòu)建策略，成功打通了蔗糖、乙醇、乙烯、脂肪醇、脂肪烴等能源和化工產(chǎn)品的光合合成路線，并在Energy & Environmental Science、Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuels以及Applied and Environmental Microbiology等期刊上發(fā)表了系列論文。近期，研究團(tuán)隊(duì)在生物技術(shù)領(lǐng)域重要綜述期刊Biotechnology Advances上發(fā)表了題為“Tailoring cyanobacterial cell factory for improved industrial properties”的論文，介紹了關(guān)于藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠開發(fā)的新視角。
近年來，微生物代謝工程團(tuán)隊(duì)在推動藍(lán)細(xì)菌光合生物制造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的過程中發(fā)現(xiàn)，盡管實(shí)驗(yàn)室條件下工程藻株光合合成天然或非天然代謝產(chǎn)物的能力可以得到極大提升，其規(guī)?；瘧?yīng)用卻在技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)層面上受到諸多限制?；谡w成本和效益比的考慮，理想中的規(guī)模化光合生物制造應(yīng)該能夠在戶外、開放式環(huán)境中進(jìn)行，以自然光、經(jīng)過簡單處理的海水甚至工業(yè)污水和工業(yè)廢氣為主要原料，培養(yǎng)得到的生物質(zhì)和目標(biāo)產(chǎn)品的采收和提取也應(yīng)該盡可能的便捷、快速以及低成本化。而實(shí)際情況是，面臨遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)室條件嚴(yán)苛的高溫、高光脅迫以及晝夜循環(huán)條件下光照-溫度-碳源供給的波動變化等條件下，藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠難以維持目標(biāo)產(chǎn)品的穩(wěn)定合成；面臨培養(yǎng)體系中的高鹽、高堿以及潛在的生物污染條件，現(xiàn)有的藍(lán)細(xì)菌底盤藻株的生理適切性和魯棒性甚至都難以滿足穩(wěn)定培養(yǎng)的要求；同時(shí)，工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)條件下，藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞生物質(zhì)采收和目標(biāo)產(chǎn)品提取都極為耗能且工藝復(fù)雜，從而極大地降低了整個(gè)技術(shù)鏈條的成本競爭力。
針對上述情況，微生物代謝工程團(tuán)隊(duì)在綜述中系統(tǒng)性地提出了聚焦藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠開發(fā)工業(yè)過程導(dǎo)向的代謝工程新觀點(diǎn)（Industrial Process Oriented Metabolic Engineering, iPOME）。要實(shí)現(xiàn)藍(lán)細(xì)菌光合生物制造技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，需要提升光合細(xì)胞工廠與工業(yè)過程和工藝體系的兼容性與適配性，特別是藍(lán)細(xì)菌底盤藻株和工程藻株工業(yè)應(yīng)用特性的針對性優(yōu)化。研究團(tuán)隊(duì)從以下幾方面總結(jié)了近期的相關(guān)研究進(jìn)展，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了分析與展望：1）改造藍(lán)細(xì)菌以克服晝夜交替條件的限制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的細(xì)胞生長和產(chǎn)物合成；2）改造藍(lán)細(xì)菌以提高藻株適切性和魯棒性，實(shí)現(xiàn)逆境脅迫下的穩(wěn)定光合生長和產(chǎn)物合成；3）改造藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞采收特性，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)和光合產(chǎn)品的便捷、低成本的采收過程。綜述論文最后提出，隨著對藍(lán)細(xì)菌生理活動和代謝機(jī)制的深入認(rèn)識，以及各種高效、精確基因組編輯手段的發(fā)展完善，新一代具有良好工業(yè)應(yīng)用特性的藍(lán)細(xì)菌光合細(xì)胞工廠將能夠成功“定制”，并極大的促進(jìn)光合生物制造技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
本綜述論文和相關(guān)系列研究得到國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金委中德合作研究項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目等的資助。（文/圖 欒國棟）
原文鏈接：
Guodong Luan, Xuefeng Lu. Tailoring cyanobacterial cell factory for improved industrial properties. Biotechnology Advances, 2018, 10.1016/j.biotechadv.2018.01.005.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975018300053
藍(lán)細(xì)菌光合生物制造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用過程中的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)
