华东理工大学范建华和吴辉合作探究蓝细菌中基于电子传递链扰动的代谢重编程调控策略 | SSB

Original SSB 科爱KeAi 2022-12-31

收录于合集 #合成和系统生物技术（SSB） 36个

微藻和蓝细菌等微生物，在陆地、海洋分布广泛，拥有高效的光合固碳效率，生长速度比高等植物高10-50倍，是地球上生长最快的光合生物。因其生长速率快、培养条件简单、可以利用CO₂生产高附加值产物等优势，因而被誉为绿色细胞工厂。随着分子生物学的不断发展，微藻的基因工程技术日趋成熟，这些工程技术旨在利用微藻的天然代谢途径，将转基因技术和多种组学分析相结合，最终实现目标产物的高产。

质体醌（Plastoquinone，PQ）和泛醌（Ubiquinone，UQ）存在于大多数光合生物中，由极性苯醌环和非极性类异戊二烯侧链组成。如图1所示，PQ和UQ在化学结构上的差异主要是由于苯醌环的各种取代基位置的不同。PQ是微藻光合作用中的电子和质子载体，UQ是大多数原核生物和真核生物的呼吸链的电子和质子载体。PQ和UQ的半衰期很短，除了可以介导电子传递之外，还具有抗氧化、参与多种物质的合成或代谢等功能，其氧化还原状态和含量变化对微藻的生长代谢起着至关重要的作用，所以PQ和UQ是光合生物中重要的氧化还原辅助因子（如图2）。

图1 PQ-9（a）和UQ-9（b）化学结构式

图2 微藻中PQ和UQ的生物学功能示意图

微藻中质体醌和泛醌介导的电子传递链产生的还原力和能量，参与胞内多种物质合成，对微藻的生理代谢起着至关重要的作用。目前关于微藻胞内质体醌和泛醌的合成及其相关代谢调控机制的研究相对较少，因此亟待探索质体醌和泛醌含量变化对微藻生长及生理代谢的影响。

面对这个问题，华东理工大学范建华与吴辉团队合作，在原核蓝藻模式生物集胞藻6803的电子传递链微扰动方面取得新进展，在Synthetic and Systems Biotechnology发表了文章“Reprogramming the metabolism of Synechocystis PCC 6803 by regulating the plastoquinone biosynthesis”，报道了如何引入外源基因竞争质体醌合成途径以及添加外源化合物促进PQ积累等“开源节流”手段，实现了光合呼吸生理表型的变化，最终影响了胞内主要成分的合成。

图3 光合微藻胞内PQ介导的电子传递链扰动策略

对羟基苯甲酸多异戊烯转移酶（LePGT）是紫草（Lithospermum erythrorhizon）中紫草素生物合成途径中关键催化酶，LePGT以4-HB和GPP为底物，催化合成对羟基苯甲酸异戊二烯酯（GHB）。研究人员克隆并在6803中表达了lepgt，结果显示，对集胞藻的生长速率无显著影响，胞内PQ含量明显降低了22.18%，加强了光合作用和呼吸作用，明显提高了胞内油脂和蛋白含量。外源添加低浓度4-HB，对集胞藻的生长无明显影响，添加1 mM 4-HB的集胞藻胞内PQ含量提高了14.76%，添加2 mM 4-HB的集胞藻胞内PQ含量明显提高了70.86%；添加1 mM 4-HB提高了集胞藻光系统效率和呼吸速率，添加2 mM 4-HB明显降低了集胞藻光系统效率和呼吸速率；添加4-HB促进了胞内中性脂和糖原的合成，其中添加1 mM 4-HB的集胞藻胞内中性脂和糖原含量分别增加了54.82%和34.92%。

图4 过表达LePGT和添加前体4-HB

图5扰动PQ合成对光合系统的影响

上述研究在原核蓝藻中探索了电子传递链核心PQ的合成调控及对生长代谢的影响，通过胞内PQ含量的微小变化实现对微藻生长代谢的精确调控，为发展微藻合成生物学提供了新的方法和策略。

华东理工大学生物工程学院/生物反应器工程国家重点实验室范建华副教授为该研究的第一作者，吴辉教授为通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划合成生物学专项和国家自然科学基金面上项目等项目支持。

文章信息

Reprogramming the metabolism of Synechocystis PCC 6803 by regulating the plastoquinone biosynthesis

Jianhua Fan，Dongqing Zhou，Cheng Chen，Ju Wu，Hui Wu

Volume 6, Issue 4, December 2021, Pages 351-359

扫码免费阅读

期刊简介

Synthetic and Systems Biotechnology 是高质量国际开放获取期刊，创刊于2016年。该期刊覆盖合成生物学、系统生物学以及生物医药等领域的各个方面。