2021年，青岛能源所作为主持单位的国家重点研发计划“合成生物学”重点专项“微藻底盘细胞的理性设计和系统改造”项目成功立项并启动；近期，项目首席科学家吕雪峰研究员带领的微生物制造工程中心在蓝细菌底盘细胞构建与合成生物技术开发方向取得系列研究进展，基于相关成果在《自然通讯》（Nature Communications）上先后发表三篇论文。

图1.“微藻底盘细胞的理性设计和系统改造”项目研究任务设置

项目课题 “微藻基因组简化重组的技术开发和规律认识”以微藻基因组删减和基因组工程工具开发为主要研究内容，而蓝细菌中存在丰富多样的CRISPR-Cas系统，是进行新型基因编辑工具开发和应用的重要平台。微生物制造工程中心与德国弗莱堡大学Wolfgang Hess教授团队合作，以丝状蓝细菌鱼腥藻PCC 7120为模式，证实其V-K型CRISPR相关转座系统受控于一类新型MerR家族转录调控因子CvkR(Cas V-K repressor)。研究团队发现CvkR广泛存在于蓝细菌CAST系统中，能够抑制CAST核心组分的转录；此外，研究团队还解析了CvkR晶体结构、鉴定了其特异性识别的核心motif并明确其靶标启动子的序列特征。该研究对于CAST系统原型工作模式的认识和相关基因编辑工具的优化具有重要意义，相关成果于2023年2月在线发表于Nature Communications；微生物制造工程中心梁雅静副研究员为论文共同第一作者之一，吕雪峰研究员、朱涛副研究员以及Wolfgang Hess教授为本文共同通讯作者。

图2. MerR家族转录因子CvkR蛋白结构解析

项目课题 “微藻底盘细胞逆境适应模式的认识与优化”致力于揭示微藻细胞对逆境胁迫的响应和适应机制，优化光合细胞工厂的生理适切性和稳定性，而蓝细菌是解析光合作用机制、优化光合作用效率与稳定性的模式研究体系。微生物制造工程中心针对蓝细菌高温高光耐受能力相关靶点众多、作用机制不明、传统改造策略效果有限的问题，开发新型蓝细菌可控超突变系统，突破细胞基因组复制高保真性对其进化速率的限制，通过遗传和环境协同扰动大幅提升聚球藻细胞复制突变率和适应性进化效果，成功获得高温高光耐受能力显著提升的聚球藻进化藻株，并揭示了影响蓝细菌高温高光耐受能力的关键靶点与功能机制。相关成果于2023年3月在线发表于Nature Communications；微生物制造工程中心博士研究生孙绘梨与栾国栋研究员为论文共同第一作者，吕雪峰研究员和栾国栋研究员为论文共同通讯作者。

图3. 遗传与环境协同扰动激发超突变状态-蓝细菌可控超突变系统工作模型

项目课题 “微藻光合固碳网络的深度重塑和定向扩展”主要进行光自养底盘细胞能量和物质转化的重要规律解析以及高效光驱固碳细胞工厂的构建，而蓝细菌是构建光合细胞工厂、实现二氧化碳定向转化的重要微生物平台。近期，微生物制造工程中心应用合成生物技术和系统生物技术重塑聚球藻光合代谢网络，成功构建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丰富的单糖，是细胞的基本能量来源，也发挥着重要代谢调控作用；但葡萄糖在光自养生物中极少以游离单体的形式合成和积累，其光驱固碳生物合成路线长期未能打通。微生物制造工程中心研究人员以聚球藻PCC 7942为底盘，在敲除其内源性葡萄糖激酶基因后，发现无需导入任何外源催化和转运元件，仅通过短期的适应性进化就获得了能够高效分泌葡萄糖的细胞工厂。结合基因组测序和系统的遗传改造验证发现，工程菌株大量合成葡萄糖是因为其胞内存在稳定的“磷酸糖-糖”代谢循环，而葡萄糖激酶基因的敲除导致葡萄糖的磷酸化再利用环节遇阻，葡萄糖在胞内大量积累形成代谢压力；而适应性进化过程中，聚球藻基因组上synpcc7942_1161基因的一个单点突变（G274A）导致该基因转录大幅上调，并发挥葡萄糖外泌蛋白的作用，将葡萄糖分泌至胞外以解除胞内高糖压力。在机制解析的基础上，研究团队结合转录和代谢组分析，实施了进一步代谢工程改造和培养策略优化，最终将葡萄糖产量提高至5 g/L。

图4. 聚球藻葡萄糖激酶缺陷菌株的细胞生长(a)和葡萄糖分泌(b)

该研究揭示了光自养底盘固碳产糖的代谢潜力与可塑性，构建了高效固碳合成葡萄糖的细胞工厂，为未来发展更高效的葡萄糖定向生产技术奠定了基础，相关成果于2023年6月在线发表于Nature Communications；微生物制造工程中心博士生张杉杉和孙佳慧为论文共同第一作者，吕雪峰研究员和栾国栋研究员为论文共同通讯作者。

上述工作中均标注以国家重点研发计划项目“微藻底盘细胞的理性设计和系统改造”为第一资助来源，同时还获得了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、洁净能源创新研究院联合基金以及山东省人才计划的支持。（文/图 栾国栋）

原文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36542-9

Marcus Ziemann^#, Viktoria Reimann^#, Yajing Liang^#, Yue Shi, Honglei Ma, Yuman Xie, Hui Li, Tao Zhu^*, Xuefeng Lu^*, Wolfgang R. Hess^*. CvkR is a MerR-type transcriptional repressor of class 2 type V-K CRISPR-associated transposase systems. Nature Communications 14, 924. (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36542-9

2. https://www.nature.com/articles/s41467-023-36964-5

Huili Sun^#, Guodong Luan^#*, Yifan Ma, Wenjing Lou, Rongze Chen, Dandan Feng, Shanshan Zhang, Jiahui Sun，Xuefeng Lu*. Engineered hypermutation adapts cyanobacterial photosynthesis to combined high light and high temperature stress. Nature Communications, 14, 1238 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36964-5.

3. 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