青島農(nóng)業(yè)大學(xué)在光合固碳領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

文章來源:中國科學(xué)報(bào)廖洋 劉琨 思潤2022-09-14 09:51

 在光合固碳研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展   課題組供圖
 
近日,青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授楊建明團(tuán)隊(duì)在光合固碳研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展,相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在化學(xué)及綠色可持續(xù)發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域的國際知名期刊《綠色化學(xué)》上。
 
CO2是地球上最主要的溫室氣體,但同時(shí)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(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供新的途徑,成為全世界科學(xué)家們研究關(guān)注熱點(diǎn)。而高效的CO2微生物固定技術(shù),不僅能有效緩解溫室效應(yīng),還能為化工產(chǎn)品生產(chǎn)開拓新原料,對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)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(yīng)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(xué)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(xué)合成時(shí)有毒化學(xué)試劑殘留等缺點(diǎn),近年來,對(duì)微生物生產(chǎn)番茄紅素的研究成為熱點(diǎn)。
 
記者了解到,楊建明團(tuán)隊(duì)利用合成生物學(xué)技術(shù)成功構(gòu)建了一種新型的光合細(xì)菌——沼澤紅假單胞菌平臺(tái),可直接從CO2和生物柴油的副產(chǎn)物(廢甘油)中直接合成高附加值化合物——番茄紅素。
 
據(jù)介紹,首先,他們采用提高番茄紅素生物合成關(guān)鍵酶、MEP途徑關(guān)鍵酶和異源MVA途徑的表達(dá)水平,并敲除競爭途徑關(guān)鍵基因等手段,增強(qiáng)番茄紅素碳代謝流;其次,他們通過宿主菌的適應(yīng)性進(jìn)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(xié)同效應(yīng)機(jī)制:即甘油降解過程中產(chǎn)生的NADH為CO2的固定提供所需的電子,而甘油產(chǎn)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(guān)鍵步驟。
 
最終的工程菌株RPLYC45在補(bǔ)加甘油及CO2補(bǔ)料分批培養(yǎng)中番茄紅素含量達(dá)到283.22 mg/gDCW,是原始菌株的87.4倍,這是迄今為止報(bào)道的光合細(xì)菌利用生物固定CO2合成番茄紅素所獲得的最高產(chǎn)量。
 
本研究結(jié)果表明,沼澤紅假單胞菌具有非常大的應(yīng)用潛力:即被設(shè)計(jì)成一種以CO2和廢甘油為原料的微生物細(xì)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(chǎn)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(xué)基金面上項(xiàng)目、山東省草業(yè)一流學(xué)科項(xiàng)目、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進(jìn)項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和國防科技創(chuàng)新特區(qū)重點(diǎn)探索項(xiàng)目等課題的資助。
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