葡萄糖是自然界含量最豐富的單糖，是細胞的基本能量來源，也是生物煉制工業的重要原料。目前，“植物-生物質-糖”路線在葡萄糖生產中占主導地位，然而該路線面臨植物生長周期長、生物質采集半徑大、預處理過程成本高等問題。針對日益加劇的全球氣候危機與糧食短缺問題，發展高效、可持續的新型葡萄糖合成路線具有重要意義；在此背景下，利用二氧化碳直接合成葡萄糖的技術引起廣泛關注。近年來，應用化學-生物化學、電化學-生物學以及體外級聯酶促反應等手段，已經成功打通了二氧化碳向葡萄糖、葡萄糖前體以及葡萄糖衍生物的轉化路線；然而，以光自養生物為底盤，基于天然光合作用過程直接實現葡萄糖合成的技術卻尚未取得突破。
近日，青島能源所微生物制造工程中心以藍細菌為平臺，應用合成生物技術和系統生物技術重塑聚球藻細胞的光合代謝網絡，構建直接利用二氧化碳合成并分泌葡萄糖的細胞工廠，并揭示了決定葡萄糖高產和分泌的分子機制。該工作于2023年6月10日在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上在線發表。
圖1. 葡萄糖激酶缺陷菌株的細胞生長(a)和葡萄糖分泌(b)
在植物和藻類的光合作用中，葡萄糖作為能量和碳素的載體而合成，并發揮著重要調節作用，葡萄糖的胞內積累會對光合活性形成顯著的抑制；因此，光自養細胞中葡萄糖極少以游離單體的形式進行合成和積累。本研究中，研究人員以聚球藻PCC 7942為出發藻株，對其代謝網絡進行分析后發現其基因組上存在兩個葡萄糖激酶（Glucokinase）基因，可能對后續改造不利，因此對兩個基因進行了敲除。聚球藻細胞代謝顯示出對葡萄糖激酶活性的高度依賴性，經過反復傳代和適應性進化后才分離獲得葡萄糖激酶基因完全敲除的純合重組藻株。出乎意料的是，該藻株直接具有了高效合成和分泌葡萄糖的能力，在柱式反應器中，其胞外葡萄糖產量達到1.5 g/L（占總葡萄糖產量的95%以上，比合成速率超出此前報道10倍），這意味著在未導入任何外源催化和轉運模塊的前提下，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機制。
圖2. 葡萄糖磷酸化系統缺失菌株中葡萄糖合成途徑的驗證
研究團隊對聚球藻代謝網絡進行分析，推測重組藻株中大量合成的葡萄糖可能來自蔗糖代謝途徑，進而設計了一系列遺傳改造實驗，成功證實聚球藻PCC 7942中存在穩定運行的蔗糖代謝循環，葡萄糖激酶能夠將蔗糖水解產生的葡萄糖磷酸化，使其重新進入中心代謝；而葡萄糖激酶活性的缺失阻斷了該循環中葡萄糖的“再利用”并引發了后續的葡萄糖積累與分泌。此前，蔗糖合成被普遍認為是藍細菌適應高鹽脅迫的響應性保護機制，而本研究則刷新了對其機制與功能的相關認識。
圖3. 葡萄糖磷酸化系統缺失菌株中基因組變異(a)，基因的上調表達(b)及蔗糖合成途徑的“激活”(c)
研究團隊對重組藻株進行測序，并結合靶向重構發現葡萄糖激酶缺失株基因組上synpcc7942_1161基因的一個單點突變（G274A）是實現葡萄糖大量分泌的關鍵。該突變導致synpcc7942_1161基因表達量大幅上調，并發揮葡萄糖外泌蛋白的功能，其效果甚至超過藍細菌代謝工程領域經典的糖轉運蛋白GalP。結合葡萄糖激酶缺失導致的代謝表型以及菌株構建過程推測，敲除葡萄糖激酶導致聚球藻細胞中葡萄糖積累，對細胞代謝和光合生理產生抑制，促使細胞基因組產生突變，其中synpcc7942_1161-G274A突變實現了葡萄糖外泌，解除了代謝壓力進而實現了純合藻株的獲取。
圖4. 葡萄糖生產藻株的代謝工程改造(a)及培養條件優化(b)
研究團隊對重組菌株的轉錄和代謝組學進行系統分析，制定了加強蔗糖合成途徑、優化碳流分配的代謝工程策略，將重組藻株的葡萄糖產量提高至2 g/L，結合半連續培養策略，累積產量達到5 g/L。
該研究揭示了限制藍細菌光驅固碳合成葡萄糖潛力的遺傳與代謝因素，更新了對天然蔗糖代謝機制的認識，在沒有異源催化或運輸基因的情況下，通過葡萄糖激酶活性人工阻斷和工程藻株基因組自發突變的結合，成功將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徑中。基于相關發現構建了高效光驅固碳合成葡萄糖藍細菌細胞工廠，并為未來發展更高效的葡萄糖定向生產技術及工業化利用奠定了基礎。
微生物制造工程中心呂雪峰研究員和欒國棟研究員為論文的共同通訊作者，博士研究生張杉杉（已畢業）和孫佳慧為論文的共同第一作者。本研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、潔凈能源創新研究院聯合基金以及山東省人才計劃的支持。（文/圖 孫佳慧 欒國棟）
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39222-w.
Shanshan Zhang#, Jiahui Sun#, Dandan Feng, Huili Sun, Jinyu Cui, Xuexia Zeng, Yannan Wu, Guodong Luan*, Xuefeng Lu*. Unlocking the potentials of cyanobacterial photosynthesis for directly converting carbon dioxide into glucose. Nature Communications,14, 3425 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-39222-w.
