来源：Curr Issues Mol Biol | 编译：DNA Lab Space
在全球碳中和与可持续发展目标的双重驱动下，如何将太阳能高效转化为化学能并用于工业生产，已成为合成生物学领域亟待突破的关键课题。蓝细菌作为唯一能够进行产氧光合作用的原核微生物，天然具备将二氧化碳直接转化为有机化合物的能力，因而被视为连接清洁能源与绿色制造的理想平台。
Walshe和Saha系统综述了蓝细菌作为光合底盘在代谢途径工程和异源基因表达方面的最新研究进展，提出了一套从碳固定优化、途径模块化到动态调控的完整技术框架。该综述不仅展现了蓝细菌在合成生物学中的巨大潜力，也为其从实验室研究走向规模化应用提供了清晰的技术路线图。
研究背景
传统的工业生物技术高度依赖异养微生物（如大肠杆菌和酵母）以糖类为碳源的发酵模式。然而，这一模式面临多项结构性挑战：首先，糖类原料的生产占据了产品总成本的三分之一以上；其次，原料供应与粮食安全形成直接竞争；更为关键的是，糖类向生物产品的转化不可避免伴随碳损失，这与绿色制造的发展方向存在根本矛盾。
蓝细菌的独特优势为解决上述问题提供了全新思路。作为自养微生物，蓝细菌仅需光能、二氧化碳和无机盐即可生长代谢，并可通过光合电子传递链直接为代谢途径提供还原力（如NADPH和铁氧还蛋白）。这一特性意味着，蓝细菌能够将二氧化碳这一温室气体直接转化为燃料、化学品和药物前体，实现“从空气到产品”的绿色制造路径。
然而，蓝细菌底盘的应用同样面临显著挑战：生长速率慢于典型异养微生物、基因操作工具不够成熟、蛋白表达系统效率参差不齐、目标产物合成途径与光合代谢之间竞争碳资源和还原力等。这些瓶颈使得蓝细菌底盘的设计与优化成为合成生物学的关键攻关方向。
研究方法
该综述围绕蓝细菌代谢工程的核心技术路线，系统梳理了从光合模块、途径构建到动态调控的完整研究体系。
光合碳固定模块的强化与改造是构建高效底盘的第一步。研究探讨了通过过表达核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）及其伴侣蛋白以提升二氧化碳固定效率的策略，同时评估了碳浓缩机制（CCM）相关基因的调控潜力。此外，研究发现光合电子传递链的优化对还原力供给具有决定性作用，通过调节光反应中心复合体与电子载体表达水平，可显著提升异源途径所需NADPH的供应能力。
异源代谢途径的模块化构建引入了“途径-底盘”协同设计的理念。综述强调，异源基因的表达并非简单地“接入既能”，而是需要根据代谢途径的氧化还原需求、前体类型和能量消耗特征，选择合适的启动子、核糖体结合位点和质粒骨架。通过将途径划分为若干功能模块，并分别优化各模块的表达强度，可有效避免中间代谢物的积累和瓶颈效应。
动态调控策略为应对光合微生物特有的代谢波动提供了新解法。由于光照和二氧化碳浓度随时变化，静态表达的异源途径往往难以适应光驱动的代谢动态。研究综述着重介绍了基于光响应启动子、二氧化碳响应元件和代谢物感应器构建的动态调控系统，通过实时感知环境信号并自动调节途径基因的转录水平，实现碳流和还原力在不同代谢通路之间的分配。
光生物反应器工艺优化作为放大必由之路也被纳入技术框架。文献对不同构型（如平板、管式、柱式）光生物反应器的光传质效率、混合性能和运行成本进行了比较分析，指出反应器设计必须与底盘细胞的代谢特征相匹配，才能最大化光能—生物量—产品之间的转化效率。
研究结果
综述系统总结了近年来蓝细菌代谢工程领域取得的关键实验成果，多项研究数据展示了该技术路线的可行性与应用前景。
在碳固定强化方面，过表达Rubisco或引入高效碳浓缩机制的工程菌株，其二氧化碳固定效率较野生型提高约30%至50%，生物量积累速率也有显著提升。这一结果为后续异源途径的构建奠定了坚实基础。
在异源途径表达方面，多项研究已成功在蓝细菌中实现复杂代谢途径的完整表达。例如，在集胞藻PCC 6803中导入萜类合成途径后，通过优化异源蛋白的表达水平，将代谢流量向目标产物方向引导，获得了可持续的产物合成能力。而在鱼腥藻PCC 7120中实现了聚羟基丁酸酯（PHB）的异源合成，通过阻断内源竞争途径，PHB含量可达细胞干重的12%以上。
在动态调控策略的实施中，利用光响应启动子控制途径基因表达的工程菌株，其在昼夜交替条件下的产物合成效率比组成型表达菌株提升了近2倍。这种环境自适应调控策略大幅降低了代谢负担和产物毒性对底盘细胞生长的抑制效应。
关于典型的限制因素，研究指出还原力分配的不平衡是当前蓝细菌代谢工程的核心瓶颈。当异源还原性途径（如脂肪酸合成和脂肪醇生产）消耗过多NADPH时，底盘的碳固定效率和细胞活力将显著下降，导致产率仅在微摩尔至低毫摩尔水平徘徊。综述还分析了途径中间产物的可能毒性效应、染色体整合位点的表达差异以及基因拷贝数与表达水平之间的非线性关系，这些因素均对最终产品的产率具有重要影响。
在过程工程方面，二维平板反应器在光照利用效率上优于管式构型，配合优化的二氧化碳通气策略，可显著提升工程菌株的产率。此外，双层反应器中在光照利用、温度控制和气体传质方面取得优化，实现了从实验室规模向中试规模的平稳过渡。
讨论与展望
蓝细菌底盘技术已渡过可行性验证阶段，正处于从“能够合成”迈向“高效合成”的关键转型期。然而，实现真正的产业化应用仍需突破多项技术壁垒。代谢通量的动态失衡、光能传递效率的理论上限、目标产物的分泌与回收，以及规模放大过程中的工程挑战，构成了这一领域的核心攻关方向。
值得关注的是，合成生物学新工具的发展正在为蓝细菌改造注入新的动力。基于CRISPR的基因编辑系统已能在蓝细菌中实现精确的多基因同步编辑，大幅缩短了工程菌株的构建周期。而计算辅助的代谢模型与设计—构建—测试—学习循环策略的引入，有望使蓝细菌底盘的迭代优化迈向自动化和自动化。
更为前瞻的方向是构建“光合微生物细胞工厂”与“电化学—生物杂合系统”的集成。通过将蓝细菌的光合固碳能力与电催化技术耦合，可进一步突破光合作用的太阳能转化效率限制，实现更高通量的碳—能源—产品转化链条。这一方向若能取得突破，将深刻改变生物制造产业的原料格局和过程范式。
蓝细菌作为光合底盘，其战略意义不仅在于替代现有异养发酵工艺，更在于开辟一条真正以二氧化碳为原料、以太阳能为驱动力的全新物质制造路线。尽管前路依然漫长，但随着合成生物学工具和工程策略的不断演进，光合微生物底盘必将在绿色生物制造的未来格局中扮演不可替代的角色。
参考来源
Walshe J, Saha SK. Cyanobacteria as a Photosynthetic Chassis for Metabolic Pathway Engineering with Heterologous Gene Expression. Current Issues in Molecular Biology, 2025. DOI: 待补充.