利用二氧化碳合成葡萄糖的细胞工厂成功构建

来源：【中国食品报】

本报讯近日，中国科学院青岛能源所微生物制造工程中心研发出以蓝细菌为平台，应用合成生物技术和系统生物技术重塑聚球藻细胞的光合代谢网络，构建了直接利用二氧化碳合成并分泌葡萄糖的细胞工厂，并揭示了决定葡萄糖高产和分泌的分子机制。

葡萄糖是自然界含量最为丰富的单糖，是细胞的基本能量来源，也是生物炼制工业的重要原料。目前，“植物—生物质—糖”路线在葡萄糖生产中占主导地位，然而该路线面临植物生长周期长、生物质采集半径大、预处理过程成本高等问题。针对日益加剧的全球气候危机与粮食短缺问题，发展高效、可持续的新型葡萄糖合成路线具有重要意义。在此背景下，利用二氧化碳直接合成葡萄糖的技术引起广泛关注。

近年来，应用化学—生物化学、电化学—生物学以及体外级联酶促反应等手段，已经成功打通二氧化碳向葡萄糖、葡萄糖前体以及葡萄糖衍生物的转化路线。然而，以光自养生物为底盘，基于天然光合作用过程直接实现葡萄糖合成的技术却尚未取得突破。

据研究人员介绍，在植物和藻类的光合作用中，葡萄糖作为能量和碳素的载体而合成，并发挥着重要调节作用，葡萄糖的胞内积累会对光合活性形成显著抑制作用。因此，光自养细胞中葡萄糖极少以游离单体的形式进行合成和积累。

“我们以聚球藻PCC7942为出发藻株，对其代谢网络分析发现，其基因组上存在两个葡萄糖激酶基因，可能对后续改造不利，因此对两个基因进行了敲除。”据研究人员介绍，他们在实验过程中发现，聚球藻细胞代谢显示出对葡萄糖激酶活性的高度依赖性，经过反复传代和适应性进化后，研究人员分离获得了葡萄糖激酶基因完全敲除的纯合重组藻株。出乎意料的是，该藻株直接具有了高效合成和分泌葡萄糖的能力，在柱式反应器中，其胞外葡萄糖产量达到1.5克/升。这意味着在未导入任何外源催化和转运模块的前提下，葡萄糖激酶的缺失直接“激活”了聚球藻中未知的葡萄糖合成和分泌机制。

研究团队对聚球藻代谢网络进行分析后推测，重组藻株中大量合成的葡萄糖可能来自蔗糖代谢途径，进而设计了一系列遗传改造实验，成功证实聚球藻PCC7942中存在稳定运行的蔗糖代谢循环，葡萄糖激酶能够将蔗糖水解产生的葡萄糖磷酸化，使其重新进入中心代谢；而葡萄糖激酶活性的缺失阻断了该循环中葡萄糖的“再利用”，并引发了后续的葡萄糖积累与分泌。此前，蔗糖合成被普遍认为是蓝细菌适应高盐胁迫的响应性保护机制，该研究刷新了对其机制与功能的相关认知。

该研究揭示了限制蓝细菌光驱固碳合成葡萄糖潜力的遗传与代谢因素，更新了对天然蔗糖代谢机制的认识，在没有异源催化或运输基因的情况下，通过葡萄糖激酶活性人工阻断和工程藻株基因组自发突变的结合，成功将光合作用固定的二氧化碳重定向至葡萄糖的合成和分泌途径中。基于相关发现，构建了高效光驱固碳合成葡萄糖蓝细菌细胞工厂，并为未来发展更高效的葡萄糖定向生产技术及工业化利用奠定了基础。

（孙佳慧 栾国栋）

《中国食品报》(2023年07月17日06版)

（责编：杨晓晶）

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