NaHCO3协同基因工程改造蓝藻高效合成聚-β-羟基丁酸酯(PHB)的机制研究

本研究针对蓝藻天然PHB产量低、依赖有机碳源的问题，通过构建过表达内源/外源phaAB/phaCAB基因的三种工程化聚球藻PCC6803株系（OE/HE/HO），结合NaHCO3无机碳源处理，使HO株系PHB含量提升1.8倍达15.51%，高光强诱导下更达41.72%，为低成本CO2转化PHB提供新策略。

　　

随着全球塑料污染危机加剧，聚-β-羟基butyrate（PHB）作为最具潜力的生物可降解塑料，其生产成本和碳足迹成为制约产业化的关键瓶颈。传统依赖有机碳源的细菌发酵法面临原料成本高（占总成本50-60%）的困境，而能直接利用CO₂的光合蓝藻虽具成本优势，却存在天然PHB合成效率低下（通常<10%细胞干重）的致命缺陷。更棘手的是，蓝藻在营养胁迫下会将碳流向竞争性产物如糖原和脂质分流，这使得单纯环境诱导难以突破产量极限。

大连理工大学的研究团队在《Environmental Research》发表的研究中，创新性地将基因工程改造与无机碳源调控相结合。通过系统比较过表达聚球藻PCC6803内源phaAB基因（OE株）、外源Cupriavidus necator的phaCAB基因（HE株）以及双基因簇共表达（HO株）的效果，发现NaHCO₃处理不仅能缓解工程菌株的生长抑制，更使HO株PHB产量在标准条件下提升至15.51%，高光强联合营养限制时飙升至41.72%——这是迄今报道的无机碳源驱动PHB合成的最高效率之一。

研究采用pEERM4-Cm质粒系统，通过SpeⅠ/PstⅠ酶切位点将目标基因整合至中性位点2，构建了三种重组质粒并转化获得工程菌株。采用气相色谱测定PHB含量，Bradford法检测蛋白质，苯酚-硫酸法分析糖原，并利用尼罗红荧光染色量化脂质积累。

Construction of recombination plasmids
通过分子克隆技术将来自Synechocystis的phaAB和C. necator的phaCAB分别或组合插入表达载体，其中双基因簇构建采用重叠延伸PCR策略，确保各元件正确拼接。

Construction of engineered Synechocystis strains
四株工程菌（WTc对照株、OE、HE、HO）均通过同源重组构建，测序验证显示外源基因在NS2位点稳定整合。值得注意的是，HO株同时携带SynPCC6803的phaAB和Cn的phaCAB，形成双重PHB合成通路。

Conclusion
研究发现NaHCO₃通过双重机制发挥作用：既作为无机碳泵促进乙酰-CoA前体供应，又通过下调竞争途径（使蛋白质/糖原/脂质含量降低30-50%）重塑碳代谢流。HO株的卓越表现揭示内源phaAB与外源phaCAB存在协同效应——前者优化底物供应，后者增强聚合效率。

这项研究的意义在于：首次证实高浓度NaHCO₃能与工程化PHB合成通路产生超叠加效应，突破性地实现完全依赖无机碳源的PHB高产（41.72%），较传统有机碳工艺降低60%原料成本。为"碳中和"背景下开发CO₂负排放的生物制造技术提供了范式转移级的解决方案。