丝状蓝藻中新型重组PHB生产平台的构建：避免氮饥饿同时保持细胞活力的可持续生物塑料合成策略

本研究针对传统聚羟基丁酸酯(PHB)生产依赖氮饥饿条件的瓶颈，通过基因工程在固氮蓝藻Nostoc sp. PCC7120中构建了包含Cupriavidus necator H16的phaCAB操纵子和phasin基因phaP1的稳定表达系统。研究人员利用组成型启动子PpsbA实现了无需氮胁迫的连续PHB生产（最高达30%细胞干重），并通过电子显微镜证实PhaP1对维持类囊体膜结构的保护作用。该成果发表于《Microbial Cell Factories》，为开发CO2负排放的工业级生物塑料生产提供了新范式。

　　

在应对全球塑料污染的紧迫挑战中，生物可降解材料聚羟基丁酸酯(PHB)因其环境友好特性备受关注。传统PHB生产主要依赖异养细菌如Cupriavidus necator H16，需消耗有机碳源且工艺复杂；而天然产PHB的蓝藻虽能利用CO₂和阳光，但产量低下且必须依赖氮饥饿条件触发合成，导致工业化生产面临两阶段培养的瓶颈。如何实现蓝藻中持续高效的PHB合成，成为突破生物塑料规模化生产的关键科学问题。

德国图宾根大学（University of Tübingen）的Phillipp Fink团队在《Microbial Cell Factories》发表创新研究，通过多阶段基因工程改造，首次在丝状蓝藻Nostoc sp. PCC7120中建立了不依赖氮饥饿的稳定PHB生产平台。研究人员采用三亲接合技术将C. necator H16的PHB合成操纵子phaCAB与phasin基因phaP1整合至蓝藻基因组，结合半连续培养策略和高效启动子PpsbA，成功解决了重组菌株因PHB积累导致的细胞活力下降难题。

关键技术包括：1）利用nucA-nuiA中性位点进行基因组整合；2）BODIPY荧光标记与HPLC联用定量PHB；3）透射电镜观察类囊体膜形态；4）优化光强（30-40μmol m^-2s^-1）和摇床条件（120 rpm）的协同培养体系。

构建第一代重组菌株NosPHB1.0

通过复制型质粒pRL1049携带PpsbA-phaCAB模块，首次实现Nostoc中PHB异源合成（14% CDW）。但荧光显微镜显示PHB颗粒分布不均，且伴随"PHB墓地"现象——高PHB含量的单细胞从丝状体脱落并丧失光合活性。

第二代基因组整合菌株NosPHB2.0

将PHB操纵子整合至nucA-nuiA位点后，PHB产量骤降至5% CDW。电镜揭示类囊体膜严重紊乱，证实PHB疏水表面可能破坏光合膜系统，导致选择性压力下生产稳定性丧失。

第三代优化菌株NosPHB3.0

引入phaP1基因与apcBA核糖体结合位点后，PHB产量提升至30% CDW并保持稳定。电镜显示PhaP1有效保护类囊体结构，BODIPY染色证实PHB颗粒均匀分布。最佳培养条件下（50-60μmol m^-2s^-1光照+持续震荡），生物量增长与PHB积累实现协同优化。

这项研究开创性地证明：1）phasin蛋白对维持蓝藻细胞活力具有关键作用；2）组成型PHB合成可与光合生长并行不悖；3）丝状蓝藻的自动絮凝特性为下游收获提供便利。该平台使蓝藻作为"细胞工厂"的潜力得到实质性突破，其CO₂固定与生物降解的双重环保优势，为替代石油基塑料提供了极具前景的解决方案。未来通过优化乙酰辅酶A供应和减少基因不稳定性，有望进一步提升PHB产率至工业化所需水平。