来源：Curr Issues Mol Biol | 编译：DNA Lab Space
蓝藻是唯一能进行放氧光合作用的原核微生物，可将太阳能与二氧化碳直接转化为有机碳骨架，是合成生物学中极具吸引力的“光合底盘”细胞。Walshe与Saha近期系统梳理了以蓝藻为底盘、通过异源基因表达重构代谢途径的研究进展，重点分析了基因表达工具、代谢网络优化策略及关键限制因素。该解读揭示了蓝藻从天然固碳生物向可持续化学品“活体工厂”转化的核心路径，为光驱动生物制造提供了理论依据与技术路线参考。
合成生物学已在异养微生物（如大肠杆菌和酵母）中实现了大量化学品的高效合成，但这类生产体系仍严重依赖糖类等有机碳源，既增加原料成本，又与粮食竞争土地资源。蓝藻因其天然的光合固碳能力，能够在无机培养基中直接利用CO₂和光能生长，被看作是突破碳源瓶颈的重要候选底盘。然而，蓝藻遗传操作工具落后、外源基因表达水平低、代谢通量从中心碳代谢向目标产物转移困难等问题长期制约其应用。近年，随着合成生物学工具的开发，如强启动子工程、密码子优化、CRISPR介导的基因组编辑等，蓝藻的代谢途径工程能力显著提升。Walshe与Saha的论文围绕“异源基因表达”这一核心环节，系统论述了如何在蓝藻中建立可预测、可调控的代谢途径，将太阳能固定为乙醇、乳酸、异丁醛等有价值的化合物。该论文重点比较了不同蓝藻宿主的特性，并提出了模块化、分层化的工程策略，为后续光驱动细胞工厂的理性设计提供了清晰框架。
在本研究中，作者系统归纳了蓝藻代谢途径工程的主要技术路线，并从底盘选择、基因表达系统、代谢网络改造和筛选方法四个层面加以阐述。在底盘选择方面，论文聚焦于模式菌株 Synechocystis sp. PCC 6803 与 Synechococcus elongatus PCC 7942，指出二者均具备天然转化能力，且已完成基因组测序，适合作为异源基因表达的宿主。在基因表达系统构建中，作者重点讨论了启动子与核糖体结合位点的适配性，比较了组成型启动子（如 Pcpc、PpsbA）和诱导型启动子（如 $P_{\text{tetR}}$、$P_{\text{nrsA}}$）在不同条件下的表达动态。为增强异源基因表达效率，密码子优化和5'末端非翻译区（5'UTR）设计被证明可有效提高翻译水平。作者还介绍了整合型与游离型质粒两种表达载体的适用场景：整合型载体利用同源重组将外源基因稳定插入染色体，适合长期培养；游离型载体则便于快速调试基因拷贝数。在基因组编辑层面，论文重点阐述了CRISPR/Cas9及其失活突变体CRISPRi在蓝藻中的应用，前者可用于基因敲除和精确插入，后者则能可逆地抑制特定基因转录，适用于优化代谢通量。此外，代谢途径重构通常引入多种异源酶模块，例如从运动发酵单胞菌来源的丙酮酸脱羧酶（PDC）和乙醇脱氢酶（ADH）组合，可在蓝藻中构建非天然的乙醇合成路径？。论文还指出，将传感器与基因调控耦合的高通量筛选策略，如基于荧光蛋白报告基因的流式细胞术分选，已用于筛选高表达克隆，显著加速了“设计-构建-测试-学习”循环在蓝藻中的实践。
该论文总结了近年在蓝藻中通过异源基因表达实现的光驱化合物合成成果，揭示出该领域的显著进展。作者指出，在蓝藻中成功异源表达并实现功能整合的酶类已超过数十种，覆盖醇、有机酸、脂肪酸、萜类、烯烃等多种产物的代谢途径。其中，乙醇合成是最成熟的案例：将细菌的PDC/ADH途径导入蓝藻后，工程菌株可通过光合作用直接从CO₂和水中合成乙醇，论文援引的多项研究表明，在持续光照和分化条件下，乙醇产量已从最初的痕量水平提升至可稳定维持数克每升的量级，但距离异养发酵的工业化水平仍有差距。在异丁醛与异丁醇的合成中，引入芽孢杆菌的2-酮异戊酸脱羧酶和醇脱氢酶途径后，蓝藻可将光合固定的碳导向支链醇，产量可达到数百毫克每升。乳酸生产则利用来自芽孢杆菌的乳酸脱氢酶基因，通过替换内源丙酮酸代谢节点，实现了乳酸在蓝藻中的光驱合成。论文还强调，尽管产物合成路径多样，但围绕CO₂固定的能量与还原力供应是共同限制因素。通过异源表达并提高Rubisco活性的尝试尚未取得突破性提升，而电子通过光合链分流过多也会影响细胞生长。作者同时指出，异源基因表达可能带来代谢负担和产物毒性，因此需要采用动态调控策略，将产物合成模块与细胞生长模块在时间或空间上进行解耦。此外，该论文系统分析了启动子选择对基因表达水平的影响，结果显示使用强启动子Pcpc可以将报告基因荧光强度提升两个数量级以上，但最优表达水平取决于具体途径酶与宿主细胞的兼容性。
讨论与展望中，作者认为蓝藻光合底盘的最大优势在于其能够将碳固定与产物合成直接耦合，从而省略了外源有机碳的发酵过程，大幅降低原料成本并减少碳足迹。然而，当前蓝藻光合产物的生产力仍受制于几个瓶颈：其一，光合固碳的最大理论转化效率约为4.5%，而实际培养中往往低于1%；其二，许多异源酶在蓝藻胞内环境中表达量低或折叠错误，需要精细的分子伴侣共表达和密码子优化；其三，产物分泌机制不明确，多数组分仍需使用透化处理或细胞裂解收集中，增加了后处理成本。论文指出，未来研究应着力于构建动态调控回路，利用光强度或代谢物浓度作为输入信号，实时平衡细胞生长与产物积累；同时，合成生物学工具如基因组规模的代谢模型、机器学习辅助的启动子设计以及高通量微流控筛选技术，有望显著加速蓝藻底盘的迭代升级。尤为重要的是，作者提出了将蓝藻与异养微生物构建共培养体系的设想，即蓝藻负责将CO₂转化为蔗糖或羧酸等有机碳源，异养宿主则在此基础上合成高附加值化学品，从而发挥两种宿主的各自优势。随着合成生物学、光生物学和过程工程学的深度交叉，蓝藻作为光合底盘有望在可再生化学品生产中实现从实验室走向工业化的关键跨越。
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. DOI: 10.21775/cimb.043.969.