来源：Semantic Scholar | 编译：DNA Lab Space
导语
利用光合微生物将二氧化碳直接转化为燃料和化学品，是合成生物学应对碳中和挑战的重要方向。蓝细菌作为光能自养原核生物，兼具植物光合效率和微生物快速增殖优势，正发展成为极具潜力的“绿色微观工厂”。近期，Walshe与Saha在《Current Issues in Molecular Biology》发表系统综述，深度梳理了以蓝细菌为光合底盘的异源基因表达工具、代谢途径工程策略与成功案例，并对该领域当前瓶颈与未来方向做出前瞻分析，为构建光驱细胞工厂提供了全景式技术路线图。
研究背景
传统的微生物细胞工厂大多依赖葡萄糖等有机碳源，其高成本与激烈的代谢碳竞争限制了产物得率与经济可行性。蓝细菌（Cyanobacteria）是一类能进行放氧光合作用的革兰氏阴性菌，仅需光照、CO₂和少量无机盐即可自养生长。其光合系统与高等植物类似，但因其结构简单、遗传背景清晰、倍增时间短，在合成生物学中逐步被提升为“光合底盘”候选者。模式菌株集胞藻 *Synechocystis* sp. PCC 6803、*Synechococcus elongatus* PCC 7942、*Synechococcus* sp. PCC 7002 等已完成全基因组测序，天然具备卡尔文循环、聚球藻中的CO₂浓缩机制，为异源代谢途径直接接入中心碳代谢提供了天然接口。
然而，蓝细菌作为异源表达平台长期面临三大壁垒：首先，高效遗传操作工具匮乏，外源基因常以低拷贝载体存在，表达不稳定；其次，异源途径引入会与固有光合同化争抢碳通量和还原力，往往导致生长迟滞与产物积累双低；再者，蓝细菌对许多真核或异养菌来源的酶环境适配性欠佳，稀有密码子、蛋白错误折叠以及光合膜定位冲突普遍存在。因此，如何系统优化底盘-途径-环境三者适配性，成为蓝细菌代谢工程从概念验证走向实际应用的关键。该综述正是围绕上述挑战，全面评估了以蓝细菌为光合底盘的异源基因表达工具库与代谢途径工程路线。
研究方法
该综述并非呈现单一实验研究，而是以技术分类与案例剖析相结合的方式，描摹蓝细菌光合底盘建构的“工具箱”。作者首先比较了不同模式底盘的特性：*Synechococcus* sp. PCC 7002 耐受高光强与高盐，适合户外开放培养；*Synechocystis* sp. PCC 6803 遗传操作最成熟，天然感受态便于DNA摄取；*S. elongatus* PCC 7942 则具备极佳昼夜节律研究背景，利于光偶联表达设计。
在遗传工具层面，论文系统归纳了三类核心策略。一是基于同源重组的染色体整合技术，通过设计上下游同源臂可将整个异源代谢模块定点敲入中性位点（如PCC 6803的*slr0168*位点），规避质粒丢失风险且控制拷贝数。二是以RSF1010衍生的广宿主质粒为代表的自复制载体系统，可提供中等拷贝表达，但存在不兼容性和克隆负担。三是日趋成熟的CRISPR/Cas与CRISPRi系统，在蓝细菌中主要用于基因抑制和调控通量而非高效敲除，因多数蓝细菌对Cas9介导的双链断裂修复效率极低，近来更倾向于应用脱氨酶碱基编辑器和CRISPR/dCas9转录调控。
对于异源途径的表达控制，作者详细评述了组成型启动子（如P*cpcB*、P*psbA2*）与诱导型调控系统（如IPTG诱导的P*trc*、光诱导的P*psbA*、金属离子启动子等）。尤其P*psbA2*光强依赖型启动子能够实现白昼高表达、夜间沉默，从而减少代谢负担并匹配光反应节奏。此外，翻译调控元件如强核糖体结合位点（RBS）工程、mRNA二级结构优化以及热休克蛋白共表达促进可溶活性蛋白的积累，亦被列为提升异源酶活性的重要辅助手段。
代谢途径的构建方面，综述提炼出“模块化克隆-转座子组合-适应性进化”的多轮循环路线。典型操作流为：先通过合成生物学标准化组装（如MoClo、Golden Gate）将数个异源基因连接成操纵子，构建乙醇、萜烯或有机酸合成线路；再利用转座子随机整合或目标位点整合获得表达梯度文库；结合高通量筛选或连续传代适应性进化，富集产率与耐受性兼备的优良菌株。在此基础上，多组学分析（转录组、代谢通量组）被用来解析碳通量节点（如3-磷酸甘油酸、丙酮酸、乙酰辅酶A）在光合暗反应与异源途径之间的分配特征，指导后续启动子强度重配和旁路敲降。
研究结果
综述核心成果在于揭示蓝细菌光合底盘已成功实现多种异源化合物的光自养合成，并归纳出几组有代表性的定量指标与改造规律。
乙醇是研究最充分的光合生产品种。早期工作将运动发酵单胞菌的丙酮酸脱羧酶（Pdc）与乙醇脱氢酶II（AdhII）整合于集胞藻PCC 6803基因组，以P*psbA2*启动子驱动，光驱培养条件下乙醇滴度约0.5 g/L。随后通过增强核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCO）表达、敲除聚羟基丁酸酯（PHB）合成旁路以及调控CO₂浓缩系统，成功将乙醇产量提升至5.5 g/L，充分证明碳通量重定向的巨大潜力。
在萜类化合物生产中，引入完整异源甲羟戊酸（MVA）途径是一大突破。蓝细菌天然具备甲基赤藓醇-4-磷酸（MEP）途径提供前体异戊烯焦磷酸（IPP）和二甲烯丙基焦磷酸（DMAPP），但通量有限。通过共表达MVA路径酶（如酿酒酵母的乙酰乙酰辅酶A硫解酶、HMG-CoA合成酶和还原酶等），红没药醇（bisabolene）产量从mg/L以下跃升至约600 mg/L，法尼烯、柠檬烯和β-石竹烯等萜烯分子的产量也达到几至上百mg/L级别。研究者还发现，将部分MVA酶定位至羧酶体或类囊体膜附近，能更高效地捕获局部高浓度底物。
正丁醇及有机酸的合成则更考验底盘对毒性产物的耐受性。借助来自梭菌的乙酰辅酶A-丁酰辅酶A途径，将*S. elongatus* PCC 7942 改造后，正丁醇产量达到约400 mg/L，同时伴随副产物乙酰丁酸等的累积。通过适应性进化和外排泵过表达，部分菌株耐受阈值提升至2 g/L以上。聚-3-羟基丁酸酯（PHB）的光合累积则更为突出，利用生枝动胶菌（*Zoogloea ramigera*）的PhaCAB操纵子在PCC 6803中表达的菌株，PHB含量可达细胞干
DOI: 10.3390/cimb48060638