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

 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)合成時有毒化學(xué)試劑殘留等缺點(diǎn)，近年來，對微生物生產(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，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。