大连理工大学生物工程学院科研团队在微藻合成生物学及绿色生物制造领域再出成果

文章导读

你敢信吗？一种绿色微藻竟能“光合作用”直接造出高价值抗生素中间体和潜在生物燃料！大连理工大学孔凡涛团队突破性重构莱茵衣藻代谢路径，首次实现光驱合成并环萜烯，产量达13.65 mg/L——创全球光合微生物新纪录。他们用AI优化基因表达，独创“挤牛奶”式连续提取，破解微藻合成效率低的难题。这不仅是绿色制造的里程碑，更揭示了高产背后的代谢调控机制，为未来可持续生产高值化合物提供全新范式。

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近日，生物工程学院智能生物制造教育部重点实验室海洋生物技术课题组孔凡涛副教授在植物学领域国际权威Top期刊《植物学杂志》（Plant Journal）发表题为“利用绿色微藻莱茵衣藻高效光合成高价值倍半萜并环萜烯”（Efficient photoproduction of a high-value sesquiterpene pentalenene from the green microalgaChlamydomonas reinhardtii）的研究性论文。我校生物工程学院为第一单位和唯一通讯单位。孔凡涛为唯一通讯作者，硕士研究生李梦杰、马松林和赵纪龙为本文的第一作者。

并环萜烯（pentalenene）是抗生素戊丙酯菌素生物合成的重要中间体，对细菌、真菌和原生动物都具有显著抗性，它的高能量密度和体积燃烧净热值特性，使其成为极具潜力的新型燃料，实现并环萜烯高效生产也是国家面向生命健康的重大需求。然而，目前并环萜烯的生产主要依赖于植物提取，过程繁琐，成本昂贵。为推进并环萜烯绿色高效生产，本研究利用微藻光合固碳能力将CO₂转化为并环萜烯，具有生长周期短、无需占用耕地以及生产成本低的显著优势；提出了一种强可持续性的绿色生物制造策略。

本研究在微藻中成功重构并环萜烯的生物合成途径，实现了光自养条件下的并环萜烯合成，突破了微藻天然无法合成并环萜烯的限制。采用基于人工智能的内含子优化插入技术，并结合荧光蛋白融合表达策略，解决了并环萜烯合成基因在微藻中表达效率和高通量筛选的难题。创新性地采用了“挤牛奶”式的原位培养与提取一体化方法，成功实现了并环萜烯的分离和提取。经优化，创制工程微藻株并环萜烯产量高达13.65 mg/L，是目前已报道光合自养微生物生产并环萜烯的最高产量。首次提出了通过联合过表达MEP途径中的关键酶DXS和HDR以增强前体供应，同时过表达平衡中间代谢产物的关键酶IDI的协同代谢工程改造策略，成功解除了微藻合成并环萜烯的产物抑制效应，显著提升了并环萜烯合成藻株的产量。代谢物分析表明，MEP途径中间体（DXP、MEP、ME-cPP）及前体物质3-磷酸甘油醛（G3P）和法尼基二磷酸（FPP）水平的提升是并环萜烯高产的关键因素，阐明了工程藻株高产并环萜烯的潜在代谢调控机制。本研究成果不仅丰富和深化了倍半萜生物合成领域的理论基础，也为构建基于光合微生物的细胞代谢工程提供了重要的理论依据。

本研究受到了辽宁省科技计划联合计划基金和中央高校基本科研业务费等经费的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.70354

来源：生物工程学院
编辑：王增强