Раскрытие потенциала цианобактериального фотосинтеза для прямого преобразования углекислого газа в глюкозу

Nature Communications, том 14, номер статьи: 3425 (2023) Цитировать эту статью

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Глюкоза является наиболее распространенным моносахаридом, служащим важным источником энергии для клеток во всех сферах жизни и важным сырьем для биоперерабатывающей промышленности. В настоящее время в поставках глюкозы доминирует путь «растение-биомасса-сахар», в то время как прямое преобразование углекислого газа в глюкозу посредством фотосинтеза недостаточно изучено. Здесь мы показываем, что потенциал Synechococcus elongatus PCC 7942 в отношении фотосинтетического производства глюкозы может быть раскрыт путем предотвращения активности нативной глюкокиназы. Нокаут двух генов глюкокиназы вызывает внутриклеточное накопление глюкозы и способствует образованию спонтанной мутации в геноме, что в конечном итоге приводит к секреции глюкозы. Без гетерологичного катализа или транспортных генов дефицит глюкокиназы и спонтанные геномные мутации приводят к секреции глюкозы 1,5 г/л, которая в дальнейшем увеличивается до 5 г/л за счет метаболических и культивирующих технологий. Эти результаты подчеркивают пластичность метаболизма цианобактерий и демонстрируют их применение для поддержки прямого фотосинтетического производства глюкозы.

Глюкоза – самая распространенная молекула моносахарида в природе. Расщепление глюкозы обеспечивает энергию и углеродные материалы в клетках во всех сферах жизни, приводя в действие клеточный механизм посредством различных гликолитических путей, включая путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаса (EMP), окислительный пентозофосфатный путь (OPP) и путь Энтнера. – Путь Дудорова (ЭД)1,2. В качестве мономеров глюкоза и ее производные также участвуют в синтезе различных макромолекул и клеточных компонентов3,4. Кроме того, глюкоза также служит важным сырьем в биоперерабатывающей промышленности, поддерживая выращивание многочисленных заводов по производству микробных клеток для экологически чистого биопроизводства топлива, химикатов и фармацевтических препаратов5,6,7. В природе глюкоза в основном синтезируется посредством фотосинтеза растений и водорослей и существует в виде мономеров полисахаридов в биомассе растений/водорослей, например, целлюлозы и крахмала. Маршрут «растение-биомасса-сахар» доминирует в нынешних массовых поставках глюкозы, экономическая целесообразность которого зависит от множества параметров, таких как циклы выращивания растений, радиус сбора биомассы и затраты на предварительную обработку8,9,10,11.

На фоне глобального климатического кризиса и усугубляющейся нехватки продовольствия разработка более эффективных, непрерывных и промышленных маршрутов производства глюкозы была бы ценной12,13. В последние годы прямое преобразование углекислого газа в глюкозу, предшественники глюкозы и полимеры глюкозы было достигнуто химико-биохимическими, электрохимически-биологическими и каскадными ферментативными путями in vitro14,15,16. Напротив, непрерывное производство глюкозы не было напрямую связано с фотосинтезом. У фотоавтотрофов, например, у высших растений и водорослей, глюкоза синтезируется как хранилище углерода и энергии и играет важную регуляторную роль. Метаболизм глюкозы имеет сложные взаимодействия с фотосистемами, нарушает синтез и метаболизм пигментов и может даже ингибировать фотосинтетическую активность17,18,19; таким образом, свободная глюкоза редко синтезируется или накапливается в избытке при фотосинтетическом клеточном метаболизме. У цианобактерий, группы оксигенных прокариотических микроводорослей, достигнут некоторый прогресс в облегчении прямого синтеза и секреции природных или неприродных сахаров посредством генетических манипуляций20,21,22. Однако фотосинтетическое производство глюкозы еще недостаточно изучено. Рекомбинантные штаммы могут производить только ограниченное количество глюкозы, сопровождающееся продукцией других сахаров, что позволяет предположить, что более подробные механизмы метаболизма глюкозы у фотоавтотрофов еще предстоит раскрыть23,24.

В этой работе мы стремимся разработать прямое и стабильное преобразование углекислого газа в глюкозу посредством фотосинтеза цианобактерий. В модельной цианобактерии Synechococcus elongatus PCC 7942 (далее для краткости PCC 7942) мы идентифицируем нативную активность глюкокиназы как узкое место, ограничивающее потенциал метаболизма для синтеза глюкозы. Направленный нокаут двух генов глюкокиназы нарушает углеводный обмен и активирует метаболический поток к глюкозе через сеть метаболизма сахарозы, что обычно рассматривается как специализированная реакция на осмотический стресс. Усиленный синтез глюкозы способствует накоплению специфической спонтанной геномной мутации на хромосоме PCC 7942, что способствует эффективной секреции глюкозы. Применяя несколько подходов омики в сочетании с систематическими генетическими манипуляциями, мы выясняем пути и мутации, ведущие к синтезу и секреции глюкозы, и оптимизируем показатели синтеза глюкозы рекомбинантными штаммами. Благодаря последующей метаболической инженерии и оптимизации культивирования уровень глюкозы, секретируемой сконструированным штаммом, превышает 5 г/л во время длительного культивирования, что составляет до 70% фиксированного источника углерода.