青島能源所微生物代謝工程研究組前期圍繞藍細菌糖原代謝調(diào)控策略，以及糖原代謝擾動對藍細菌生理和代謝功能影響的研究取得了系列成果，在此基礎(chǔ)上，近期該研究組在生物技術(shù)領(lǐng)域重要綜述期刊Biotechnology Advances上發(fā)表了題為“Progress and perspective on cyanobacterial glycogen metabolism engineering”的綜述論文，對藍細菌糖原代謝工程的進展和前景進行了系統(tǒng)的總結(jié)和展望。
基于對藍細菌糖原代謝工程改造靶點、改造策略、以及生理和代謝功能影響的全面總結(jié)，微生物代謝工程研究組的研究人員提出，隨著合成生物學和代謝工程策略和工具的不斷開發(fā)和優(yōu)化，對藍細菌糖原代謝（合成、降解和儲備）的調(diào)控技術(shù)已經(jīng)非常成熟。然而，在此基礎(chǔ)上要全面深入的認識藍細菌糖原代謝的生理代謝功能，進而開發(fā)出能夠有效優(yōu)化細胞工廠效能的藍細菌糖原代謝工程策略則仍有很長的路要走。如圖1所示，糖原代謝對藍細菌細胞生理和代謝功能的影響可以總結(jié)為兩個方面：（1）作為最主要的天然碳匯機制，吸收光合固碳的“溢出”部分，保持光合碳流-能量流“輸入”和“輸出”的動態(tài)平衡；（2）作為重要的生理保護機制，促進細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持。藍細菌光合細胞工廠中，簡單的阻斷糖原合成、移除糖原儲備，會抑制藍細菌光合效能、降低藍細菌生理和代謝魯棒性，最終限制目標代謝產(chǎn)物合成能力的提升。未來，在糖原代謝擾動的基礎(chǔ)上，對人工引入的代謝模塊進行針對性設(shè)計，驅(qū)動細胞中能量-還原力、氧化-還原、光合-光呼吸等生理和代謝狀態(tài)重平衡的實現(xiàn)，輔之以細胞生理保護機制的改造和強化，將有望實現(xiàn)對光合碳流真正有效的優(yōu)化和控制，進而大幅提高藍細菌光合生物制造的效能。
近期，微生物代謝工程研究組還應(yīng)邀在生物技術(shù)領(lǐng)域另一重要期刊Current Opinion in Biotechnology上發(fā)表了題為“Engineering cyanobacteria chassis cells toward more efficient photosynthesis”的觀點性綜述論文，對面向未來光合生物制造需求的藍細菌合成生物技術(shù)底盤細胞的設(shè)計原則、改造策略和發(fā)展方向進行了總結(jié)和展望。
在過去的二十年間，藍細菌光合生物制造技術(shù)在概念上已經(jīng)得到充分驗證，已經(jīng)實現(xiàn)了基于藍細菌光合底盤的數(shù)十種天然或非天然代謝產(chǎn)物的光驅(qū)固碳合成。然而，目前藍細菌光合細胞工廠無論是產(chǎn)量還是生產(chǎn)強度上較之經(jīng)典的異養(yǎng)細胞工廠（大腸桿菌、酵母、乳酸菌、枯草芽孢桿菌等）都有著數(shù)量級的差距。從根本上分析，藍細菌光合細胞工廠效能受制于其底盤細胞光合固碳系統(tǒng)的效率，高效的光合作用對于解鎖藍細菌光合細胞工廠的合成潛能至關(guān)重要。近年來，海量系統(tǒng)生物學數(shù)據(jù)的快速積累和高效合成生物技術(shù)工具的開發(fā)為藍細菌底盤細胞光合固碳系統(tǒng)的功能認識和系統(tǒng)改造打開了大門，具有高溫高光耐受能力和快速生長能力的新型藍細菌藻株的發(fā)現(xiàn)和鑒定也為光合系統(tǒng)改造策略的設(shè)計提供了更多可借鑒的思路。微生物代謝工程研究組的研究人員比較、分析了上述兩方面的最新研究進展，從光能捕集利用和二氧化碳固定轉(zhuǎn)化兩個層次，系統(tǒng)總結(jié)了“拓寬吸收光譜”、“提高強光耐受能力”、“提高光能傳遞和利用效率”、“加強碳源吸收能力”、“強化碳源固定效率”“減少碳代謝損失”等六種提高藍細菌底盤細胞光合固碳能力的工程策略（圖2）。進而提出，著眼未來大規(guī)模工業(yè)化體系下的藍細菌工程藻株的培養(yǎng)和應(yīng)用，除了從“硬件”角度升級光合作用系統(tǒng)的組分和途徑外，還應(yīng)該從“軟件”角度考慮發(fā)展快速感知和智能響應(yīng)系統(tǒng)，使藍細菌底盤細胞和工程藻株可以針對多變、嚴苛的環(huán)境條件進行柔性適應(yīng)，差異性的激活與之適配的光合固碳模式，實現(xiàn)光合固碳和定向合成的動態(tài)平衡，最大化的提升光合細胞工廠合成產(chǎn)出。
圖1. 藍細菌糖原代謝的生理和代謝功能
圖2. 藍細菌光合固碳能力的改造和認識策略
相關(guān)研究得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金重大基礎(chǔ)研究項目以及中科院先導(dǎo)專項等項目的支持。（文/圖 欒國棟）
參考文獻：
1. Guodong Luan*, Shanshan Zhang, Min Wang, Xuefeng Lu*, 2019, Progress and perspective on cyanobacterial glycogen metabolism engineering, Biotechnology Advances, https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2019.04.005.
原文鏈接：
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0734-9750(19)30064-3
2. Guodong Luan#，Shanshan Zhang#，Xuefeng Lu*, 2019, Engineering cyanobacteria chassis cells toward more efficient photosynthesis, Current Opinion in Biotechnology， doi: 10.1016/j.copbio.2019.07.004.
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166919300473?via%3Dihub.
