青岛能源所蓝细菌光合细胞工厂开发研究获进展
当今社会发展面临着资源短缺和环境污染问题，在此背景下，发展光合生物制造技术，以太阳能和二氧化碳为原料实现生物燃料和生物基化学品的清洁生产，成为推动可持续发展的重要选择之一。蓝细菌是极具潜力的光合微生物底盘细胞，具有结构简单、生长快速、遗传操作便捷等优势，适宜于光驱固碳细胞工厂的开发。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所微生物代谢工程团队致力于蓝细菌代谢工程和合成生物学研究，以发展光合生物制造技术体系为导向，系统应用合成生物学和代谢工程技术手段，开发蓝细菌光合细胞工厂新型设计原则和构建策略，成功打通蔗糖、乙醇、乙烯、脂肪醇、脂肪烃等能源和化工产品的光合合成路线，并在Energy & Environmental Science、Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuels、Applied and Environmental Microbiology等期刊上发表系列论文。近日，研究团队在Biotechnology Advances上发表题为Tailoring cyanobacterial cell factory for improved industrial properties的论文，论述关于蓝细菌光合细胞工厂开发的新视角。
近年来，微生物代谢工程团队在推动蓝细菌光合生物制造技术规模化应用的过程中发现，尽管实验室条件下工程藻株光合合成天然或非天然代谢产物的能力可以得到极大提升，其规模化应用却在技术性和经济性两个层面上受到诸多限制。基于整体成本和效益比的考虑，理想中的规模化光合生物制造应该能够在户外、开放式环境中进行，以自然光、经过简单处理的海水甚至工业污水和工业废气为主要原料，培养得到的生物质和目标产品的采收和提取也应尽可能的便捷、快速以及低成本化。而实际情况是，面临远比实验室条件严苛的高温、高光胁迫以及昼夜循环条件下光照-温度-碳源供给的波动变化等条件下，蓝细菌细胞工厂难以维持目标产品的稳定合成；面临培养体系中的高盐、高碱以及潜在的生物污染条件，现有的蓝细菌底盘藻株的生理适切性和鲁棒性甚至都难以满足稳定培养的要求；同时，工业规模培养条件下，蓝细菌细胞生物质采收和目标产品提取都极为耗能且工艺复杂，从而降低了整个技术链条的成本竞争力。
针对上述情况，微生物代谢工程团队在综述中系统性地提出聚焦蓝细菌光合细胞工厂开发工业过程导向的代谢工程新观点（Industrial Process Oriented Metabolic Engineering, iPOME）。要实现蓝细菌光合生物制造技术的规模化应用，需要提升光合细胞工厂与工业过程和工艺体系的兼容性与适配性，特别是蓝细菌底盘藻株和工程藻株工业应用特性的针对性优化。研究团队总结相关研究进展，并对未来发展方向进行分析与展望：（1）改造蓝细菌以克服昼夜交替条件的限制，实现稳定、持续的细胞生长和产物合成；（2）改造蓝细菌以提高藻株适切性和鲁棒性，实现逆境胁迫下的稳定光合生长和产物合成；（3）改造蓝细菌细胞采收特性，实现生物质和光合产品的便捷、低成本的采收过程。综述论文提出，随着对蓝细菌生理活动和代谢机制的深入认识，以及各种高效、精确基因组编辑手段的发展完善，新一代具有良好工业应用特性的蓝细菌光合细胞工厂将能够成功“定制”，并促进光合生物制造技术的规模化应用。
研究工作得到国家自然科学基金委杰出青年基金、国家自然科学基金委中德合作研究项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、中科院重点部署项目等的资助。
蓝细菌光合生物制造技术规模化应用过程中的技术性和经济性挑战
