基于合成联盟的 CO2 固定与柠檬烯生产：生长模式调控与概念验证

《Microbial Cell Factories》：Growth-decoupled terpene biosynthesis from CO2 by a photo-heterotrophic coculture

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摘要

微生物将二氧化碳（CO₂）转化为化学物质对于可持续的生物经济至关重要。然而，这一过程常常受到低碳固定率的制约。光自养菌与异养菌的共培养系统可以通过利用光自养菌的强大碳汇来驱动碳固定，进而将其与异养菌的化学生产相结合，从而克服这一瓶颈。尽管潜力巨大，但利用这种共培养系统进行化学生产，尤其是生产低通量路径的产物，仍然具有挑战性。在这项研究中，我们构建了一个合成联盟，包括一种能够分泌蔗糖的Synechococcus elongatus菌株和一种能够生产柠檬烯的Escherichia coli菌株，以二氧化碳（CO₂作为唯一的碳源来生产柠檬烯。通过对调控子进行多重启动子工程改造，我们发现了有利于Escherichia coli中柠檬烯生产的蔗糖消耗动态，结果显示，仅表达转化酶（cscA）就足以通过乳糖渗透酶（lacY的副反应能力支持其在蔗糖上的生长。对蔗糖消耗和柠檬烯生产的详细分析揭示了该工程化Escherichia coli的生长-生产模式具有双相性，在指数生长阶段碳流优先用于生物量的积累。比较蛋白组学研究进一步证实了这一观察结果，即在指数生长后期，甲戊二酸途径相关的酶水平升高。这些结果表明，通过抑制异养菌的生长，可以增强共培养系统中低通量路径的化学生产。基于这些见解，我们实现了二氧化碳（CO₂）到柠檬烯转化的 concepts验证，转化浓度达到了11毫克/升（11 mg/L）。这项研究为克服合成联盟中的代谢瓶颈提供了框架，并为未来二氧化碳（CO₂）到化学物质生产系统的开发提供了指导。

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