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合成生物学驱动的蓝细菌光合固碳研究及应用

生命科学 2024年

作者：汪浩张芬芳陈磊孙韬张卫文天津大学生物安全战略研究中心教育部合成生物学前沿科学中心教育部系统生物工程重点实验室天津大学化工学院合成微生物学实验室

蓝细菌是一类以CO2为碳源的光能自养微生物，构建以蓝细菌为底盘的人工细胞不仅可以合成高价值产品，还可减少大气中CO2含量，助力“双碳”目标的实现。即便如此，蓝细菌仍存在生长速率较慢、环境胁迫鲁棒性差及化学品产量低等问题。近... 详细信息

蓝细菌是一类以CO2为碳源的光能自养微生物，构建以蓝细菌为底盘的人工细胞不仅可以合成高价值产品，还可减少大气中CO2含量，助力“双碳”目标的实现。即便如此，蓝细菌仍存在生长速率较慢、环境胁迫鲁棒性差及化学品产量低等问题。近些年，合成生物学技术的跨越式发展使得理性设计底盘，深度理解蓝细菌光合固碳机理、提升蓝细菌光合效率及固碳能力成为可能。为促进理解合成生物学在蓝细菌中的应用，本文梳理了目前蓝细菌中主要的模式底盘，对围绕其开发的遗传改造工具进行总结；随后讨论了蓝细菌中研究光合、固碳机理机制及通过缩短捕光天线、重塑卡尔文循环等方式提升光合固碳效率的相关研究；此后本文对通过改造蓝细菌将CO2转化为高价值化学品的工作进行归纳，最后本文对合成生物学未来如何驱动蓝细菌更高效的利用CO2进行了展望。总之，通过合成生物学方法对蓝细菌进行全方位改造，有望培育出光合固碳效率足够高，既能优化环境又具备大规模工业化生产价值的“超级”蓝细菌底盘。

关键词：蓝细菌碳中和光合固碳系统重构光合细胞工厂合成生物学

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蓝细菌对汞耐受机制的研究进展

微生物学报 2022年第5期62卷 1629-1644页

作者：徐业腾张昺林郭军明汶瑛陈拓中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室玉龙雪山冰冻圈与可持续发展野外科学观测研究站甘肃兰州730000 甘肃省极端环境微生物资源与工程重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院西北生态环境资源研究院中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

蓝细菌对不同形态的汞具有很强的耐受和富集能力,能够改变环境中的汞浓度,影响汞的生物地球化学循环。同时,蓝细菌是生态系统中重要的初级生产者,经过蓝细菌富集的汞更容易进入食物链,影响人类健康。本文系统总结了蓝细菌对汞的耐受机制... 详细信息

蓝细菌对不同形态的汞具有很强的耐受和富集能力,能够改变环境中的汞浓度,影响汞的生物地球化学循环。同时,蓝细菌是生态系统中重要的初级生产者,经过蓝细菌富集的汞更容易进入食物链,影响人类健康。本文系统总结了蓝细菌对汞的耐受机制,主要包括:(1)在细胞壁外合成胶质鞘隔离汞;(2)通过与自身化合物结合钝化汞的毒性;(3)利用自身抗氧化机制修复汞对细胞的损伤;(4)利用自身酶转化汞的形态降低毒性;(5)与抗汞细菌共生抵御汞。基于此,本文展望了蓝细菌汞耐受机制的进一步研究方向,以及利用蓝细菌进行汞解毒和污染修复的前景。

关键词：蓝细菌汞耐受机制富集

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蓝细菌次级代谢产物伪枝藻素研究进展与展望

中国生物工程杂志 2023年第10期43卷 85-95页

作者：张爱娣崔金玉张亚宁毛绍名栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院林业生物技术湖南省重点实验室长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室青岛266101 山东能源研究院青岛266101 青岛新能源山东省实验室青岛266101

蓝细菌是重要的光合自养微生物,可利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品,且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素,由少数蓝细菌在胁迫环境下形成,具有很强的紫外吸收、抗炎以... 详细信息

蓝细菌是重要的光合自养微生物,可利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品,且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素,由少数蓝细菌在胁迫环境下形成,具有很强的紫外吸收、抗炎以及抑制癌细胞增殖的活性,在日化和医药健康领域具有巨大的开发潜力和应用前景。目前,伪枝藻素的合成和调控机制在蓝细菌念珠藻Nostoc punctiforme PCC 73102等中已得到初步解析,但由于天然宿主在遗传改造和工程应用层面存在多重瓶颈,仍无法实现稳定、高效、绿色的生产。随着合成生物学和代谢工程技术的发展,有望通过异源合成及调控实现伪枝藻素的高效生产。总结伪枝藻素的结构、化学性质、功能应用、生物合成途径、调控机制和环境胁迫影响等相关研究进展,并对其未来发展前景进行展望。

关键词：蓝细菌伪枝藻素合成调控机制环境胁迫

蓝细菌次级代谢产物伪枝藻素的研究进展与展望

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中国生物工程杂志 2023年

作者：张爱娣崔金玉张亚宁毛绍名栾国栋吕雪峰中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室青岛新能源山东省实验室山东能源研究院中南林业科技大学林业生物技术湖南省重点实验室中南林业科技大学生命科学与技术学院

蓝细菌是重要的光合自养微生物，利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品，且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素，由少数蓝细菌在胁迫环境下形成，具有很强的紫外吸收、抗炎... 详细信息

蓝细菌是重要的光合自养微生物，利用太阳能将二氧化碳转化成高附加产值化学品，且具有营养需求低、生长迅速以及遗传背景简单等优势。伪枝藻素是一种脂溶性芳香族生物碱色素，由少数蓝细菌在胁迫环境下形成，具有很强的紫外吸收、抗炎以及抑制癌细胞增殖的活性，在日化和医药健康领域具有巨大的开发潜力和应用空间。目前，伪枝藻素的合成和调控机制在蓝细菌念珠藻Nostoc punctiforme PCC 73102等中已得到初步解析，但由于天然宿主在遗传改造和工程应用层面存在多重瓶颈，仍无法实现稳定、高效、绿色的生产。随着合成生物学和代谢工程技术的发展，有望通过异源合成及调控，实现伪枝藻素的高效生产。本文对伪枝藻素的结构、化学性质、功能应用、生物合成途径、调控机制和环境胁迫影响等相关研究进展进行了总结，并对其未来前景和方向进行了展望。

关键词：蓝细菌伪枝藻素合成调控机制环境胁迫功能应用

基于糖原代谢调控的蓝细菌光合细胞工厂优化研究进展

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生物工程学报 2022年第2期38卷 592-604页

作者：郑思妮孙绘梨毛绍名栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院湖南长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室山东青岛266101 山东能源研究院山东青岛266101 青岛新能源山东省实验室山东青岛266101

蓝细菌是重要的光合自养微生物,也是最具潜力的光合微生物底盘之一,被广泛应用于光驱固碳细胞工厂的开发。糖原是蓝细菌最重要的天然碳汇物质,糖原代谢对蓝细菌光合碳流的分配和调控具有重要意义。为了优化蓝细菌光合细胞工厂的合成效能... 详细信息

蓝细菌是重要的光合自养微生物,也是最具潜力的光合微生物底盘之一,被广泛应用于光驱固碳细胞工厂的开发。糖原是蓝细菌最重要的天然碳汇物质,糖原代谢对蓝细菌光合碳流的分配和调控具有重要意义。为了优化蓝细菌光合细胞工厂的合成效能,驱动更多的光合碳流重定向至目标代谢产物的合成,已经有多种策略和方法被成功开发用于调控蓝细菌的糖原代谢和糖原含量。然而,作为具有全局效应的重要碳汇机制,针对糖原代谢的调控往往对蓝细菌底盘藻株的光合生理和代谢网络造成复杂的影响,在不同光合细胞工厂合成效能优化上取得的效果也不尽相同。文中梳理了蓝细菌糖原代谢工程的最新进展,对糖原代谢调控造成的生理、代谢影响进行了介绍和分析,进而对通过糖原代谢调控来优化光合细胞工厂效能的研究前景进行了展望。

关键词：蓝细菌光合细胞工厂糖原代谢工程光合作用

胞外聚合物在蓝细菌钙化过程中的作用及其地质意义

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沉积学报 2022年第1期40卷 88-105页

作者：钟怡江文华国陈洪德刘磊陈安清王兴龙王志伟白璇油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学) 成都610059 成都理工大学沉积地质研究院成都610059

化石记录长达35亿年的蓝细菌在地球历史的生态演化方面发挥了极其重要的作用。与蓝细菌有关的"前寒武纪之谜"等系统性科学问题一直困扰着研究学者。胞外聚合物在蓝细菌钙化起到了至关重要的作用。在分析国内外大量文献基础上,通过系统... 详细信息

化石记录长达35亿年的蓝细菌在地球历史的生态演化方面发挥了极其重要的作用。与蓝细菌有关的"前寒武纪之谜"等系统性科学问题一直困扰着研究学者。胞外聚合物在蓝细菌钙化起到了至关重要的作用。在分析国内外大量文献基础上,通过系统介绍蓝细菌及胞外聚合物的主要特征,回顾和总结前人在蓝细菌光合作用有关和降解过程中的钙化过程的研究成果,重点剖析蓝细菌胞外聚合物在其钙化过程中的作用,总结了主要的地质意义并提出下一步的研究展望,以期为探索与蓝细菌和微生物席钙化方面相关的系统科学问题提供借鉴和启示。

关键词：蓝细菌胞外聚合物微生物席钙化作用

进化工程在蓝细菌生物学和生物技术研究中的应用

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中国生物工程杂志 2023年第11期43卷 92-104页

作者：马依凡孙绘梨毛绍名栾国栋吕雪峰中南林业科技大学生命科学与技术学院长沙410004 中南林业科技大学林业生物技术湖南省重点实验室长沙410004 中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国科学院生物燃料重点实验室青岛266101 山东能源研究院青岛266101 青岛新能源山东省实验室青岛266101

蓝细菌是光合作用、叶绿体起源和植物进化等基础生物学研究的重要模式生物,也作为极具潜力的微生物光合平台在固碳合成领域引起广泛关注。蓝细菌基础生物学研究和生物技术开发过程中面临大量的复杂生理和代谢表型改造需求,理性的靶向改... 详细信息

蓝细菌是光合作用、叶绿体起源和植物进化等基础生物学研究的重要模式生物,也作为极具潜力的微生物光合平台在固碳合成领域引起广泛关注。蓝细菌基础生物学研究和生物技术开发过程中面临大量的复杂生理和代谢表型改造需求,理性的靶向改造技术往往难以取得理想效果。进化工程不依赖于对微生物遗传背景和代谢网络的认识,在微生物复杂生理耐受表型改造和相关功能机制解析方面有着显著的技术优势,在蓝细菌基础生物学和生物技术研究中也发挥了重要作用。结合进化工程的技术特点和实施案例,在蓝细菌基础科学机制解析和光合生物制造技术开发两条路线上,对进化工程的应用进展进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

关键词：蓝细菌进化工程生理耐受性适应性进化光合作用

蓝细菌CRISPRa系统的开发及其代谢工程应用

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合成生物学 2023年第4期4卷 824-839页

作者：王甜甜朱虹杨琛中国科学院合成生物学重点实验室中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海200032 中国科学院大学北京100049

蓝细菌是光合作用研究的模式生物之一,也是构建光能自养细胞工厂的良好底盘。然而目前蓝细菌的遗传操作工具仍然较为缺乏且效率较低,开发高效的蓝细菌基因调控工具对于蓝细菌系统与合成生物学研究具有重要意义。本研究在模式蓝细菌聚球... 详细信息

蓝细菌是光合作用研究的模式生物之一,也是构建光能自养细胞工厂的良好底盘。然而目前蓝细菌的遗传操作工具仍然较为缺乏且效率较低,开发高效的蓝细菌基因调控工具对于蓝细菌系统与合成生物学研究具有重要意义。本研究在模式蓝细菌聚球藻PCC 7942中开发了CRISPR激活系统,测试了多个转录激活因子,将内源的RNA聚合酶ω-亚基RpoZ与无DNA切割活性的dCas9融合表达,利用高强度启动子表达向导RNA,进而敲除内源rpoZ基因并优化了dCas9-RpoZ的表达及靶向位点。利用建立的CRISPRa系统对重要生物燃料——异戊烯醇的生物合成途径进行了工程改造,该系统不仅能够实现单基因或多基因的高表达,还可以同时对不同基因进行转录激活和抑制,将蓝细菌中异戊烯醇的产量提高了17倍,展示了该系统有望成为构建光能自养细胞工厂的有力工具。

关键词：蓝细菌 CRISPRa 异戊烯醇

两种蓝细菌中7对毒素-抗毒素系统的分析和鉴定

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热带海洋学报 2022年第3期41卷 119-134页

作者：林世团王晓雪陈冉中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室中国科学院南海海洋研究所广东广州510301 中国科学院大学北京100049

蓝细菌(cyanobacteria)是一类能进行放氧光合作用的原核生物。蓝细菌生长速度较快,几乎存在于所有的陆地和水生环境中。毒素-抗毒素(toxin-antitoxin,TA)系统在原核生物中分布十分广泛,在细菌的生命活动中扮演了重要的角色如维持水平基... 详细信息

蓝细菌(cyanobacteria)是一类能进行放氧光合作用的原核生物。蓝细菌生长速度较快,几乎存在于所有的陆地和水生环境中。毒素-抗毒素(toxin-antitoxin,TA)系统在原核生物中分布十分广泛,在细菌的生命活动中扮演了重要的角色如维持水平基因转移元件的稳定性以及应对环境胁迫压力等。已有的基因组分析表明,蓝细菌基因组中含有大量潜在的毒素-抗毒素系统,但是目前对蓝细菌毒素-抗毒素系统的实验鉴定仍较少。本文分别以淡水和海水代表菌株集胞藻PCC6803(Synechocystis ***6803)和聚球藻WH7803(Synechococcus ***7803)为研究对象,对二者基因组上的毒素-抗毒素系统进行预测,并选取预测结果中的7对潜在的毒素-抗毒素系统进行实验验证。结果表明,集胞藻PCC6803的两对毒素-抗毒素系统BAD01932-1933和BAA18559-New ORF7中的毒素具有明显的细胞毒性。本文的研究结果有助于后续对蓝细菌毒素-抗毒素系统及其生态和生物学功能的研究。

关键词：毒素-抗毒素系统蓝细菌集胞藻PCC6803 聚球藻WH7803

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