青島農業(yè)大學在光合固碳領域取得重要進展

文章來源:中國科學報廖洋劉琨思潤2022-09-14 09:51

在光合固碳研究領域取得重要進展課題組供圖

近日，青島農業(yè)大學生命科學學院教授楊建明團隊在光合固碳研究領域取得重要進展，相關研究結果發(fā)表在化學及綠色可持續(xù)發(fā)展技術領域的國際知名期刊《綠色化學》上。

CO2是地球上最主要的溫室氣體，但同時亦是自然界中最為豐富的C1資源。如何緩解CO2減排壓力，為化工產業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供新的途徑，成為全世界科學家們研究關注熱點。而高效的CO2微生物固定技術，不僅能有效緩解溫室效應，還能為化工產品生產開拓新原料，對實現“碳達峰“和”碳中和”具有十分重要意義。

番茄紅素是一種天然存在的紅色類胡蘿卜素，因其具有抗氧化、抗癌、抗炎等特性而被廣泛應用于醫(yī)藥、化妝品、食品等行業(yè)。番茄紅素的制備方法主要有三種，即植物提取法、化學合成法和微生物法。由于植物(主要是番茄)中番茄紅素含量低及化學合成時有毒化學試劑殘留等缺點，近年來，對微生物生產番茄紅素的研究成為熱點。

記者了解到，楊建明團隊利用合成生物學技術成功構建了一種新型的光合細菌——沼澤紅假單胞菌平臺，可直接從CO2和生物柴油的副產物（廢甘油）中直接合成高附加值化合物——番茄紅素。

據介紹，首先，他們采用提高番茄紅素生物合成關鍵酶、MEP途徑關鍵酶和異源MVA途徑的表達水平，并敲除競爭途徑關鍵基因等手段，增強番茄紅素碳代謝流；其次，他們通過宿主菌的適應性進化和外源甘油的添加，沼澤紅假單胞菌光合自養(yǎng)固定CO2的效率得到極大提高。

該成果首次證明了甘油同化與CO2生物固定的顯著協同效應機制：即甘油降解過程中產生的NADH為CO2的固定提供所需的電子，而甘油產生的磷酸二羥丙酮 (DHAP)有利于1,5-二磷酸核酮(Ru1,5P)的再生，這是Calvin-Benson-Bassham(CBB)循環(huán)中的關鍵步驟。

最終的工程菌株RPLYC45在補加甘油及CO2補料分批培養(yǎng)中番茄紅素含量達到283.22 mg/gDCW，是原始菌株的87.4倍，這是迄今為止報道的光合細菌利用生物固定CO2合成番茄紅素所獲得的最高產量。

本研究結果表明，沼澤紅假單胞菌具有非常大的應用潛力：即被設計成一種以CO2和廢甘油為原料的微生物細胞工廠，該合成過程比異養(yǎng)微生物(大腸桿菌、釀酒酵母等)中生產番茄紅素的生物合成過程具有更綠色、更可持續(xù)性等優(yōu)勢。

該研究工作得到國家自然科學基金面上項目、山東省草業(yè)一流學科項目、青島農業(yè)大學高層次人才引進項目、山東省自然科學基金面上項目和國防科技創(chuàng)新特區(qū)重點探索項目等課題的資助。