光合碳流重构：工程化蓝细菌工厂实现可持续碳水化合物生产与负碳生物制造

为应对工业CO2排放和传统生物制造碳足迹问题，研究人员通过改造聚球藻（Synechococcus elongatus）PCC 7942，同步提升碳输入与人工代谢库，使蔗糖产量提升27.4倍至5.821 g L?1，并构建光驱动合成菌群实现CO2直接转化，生产323.5 mg L?1聚羟基丁酸酯（PHB），每克PHB减少12.4 g CO2排放，为负碳生物制造提供新范式。

　　

研究背景与意义

全球化学工业的CO₂排放加速气候变暖，亟需从石油经济转向绿色低碳模式。生物制造虽被视为解决方案，但传统发酵依赖碳水化合物原料，难以实现真正碳中和。蓝细菌因其独特的光合固碳能力成为理想候选——这类微生物能直接利用光能和CO₂合成有机物。然而，天然蓝细菌的蔗糖产量受限于代谢平衡调控，现有工程策略多聚焦局部途径优化，难以突破碳分配与生长适应的权衡关系。

广东省自然资源厅资助的研究团队在《Bioresource Technology》发表论文，提出“开源扩库”双轨策略：一方面强化光合碳固定（源），另一方面深化人工代谢库（库）。通过改造聚球藻PCC 7942，不仅实现蔗糖产量28.4倍跃升，更首创光驱动合成菌群，将CO₂直接转化为高值化合物聚羟基丁酸酯（PHB），相比传统异养工艺每克PHB减少12.4 g CO₂排放，为负碳生物制造树立新标杆。

关键技术方法

研究采用多组学指导的代谢工程：1) 比较四种蓝细菌盐胁迫下蔗糖产量，筛选最优底盘；2) 过表达蔗糖磷酸合成酶（SPS）和输出蛋白CscB；3) 转录组分析碳固定、电子传递链（ETC）相关基因表达；4) 构建蓝细菌-异养菌合成群落，分工完成CO₂固定与PHB合成。

研究结果

潜在蔗糖生产能力评估
盐胁迫下比较聚球藻PCC 7942与集胞藻PCC 6803等四株菌，发现前者生长与蔗糖产量俱佳，而集胞藻PCC 6803产量随时间显著下降，印证其代谢不稳定性。

工程菌株性能突破
通过协同强化SPS活性与CscB输出，工程菌蔗糖分泌达5.821 g L^?1，较野生型提升27.4倍。转录组显示碳固定关键酶Rubisco、ETC复合体基因显著上调，证实全局代谢网络重构成功。

合成菌群负碳制造
将工程蓝细菌与PHB合成菌配对，实现CO₂→蔗糖→PHB级联转化，PHB产量达323.5 mg L^?1，碳减排效率较传统工艺提升12.4 g CO₂/g PHB。

结论与展望

该研究突破单一路径优化局限，通过“源-库”协同调控实现光合碳流重编程。工程菌株的蔗糖产量创纪录提升，而合成菌群策略更开辟了CO₂直接高值化新路径。特别值得注意的是，系统通过强化光反应与碳同化耦合（如ETC基因上调），解决了蓝细菌固碳效率低的瓶颈。这种“微生物光合工厂”模式，既符合循环生物经济原则，又为化工、食品等领域提供可持续原料解决方案，对实现“双碳”目标具有战略意义。未来可拓展至其他高值化合物（如萜类、脂肪酸）的负碳合成，推动生物制造范式变革。