蓝藻昼夜节律调控：解锁生物生产高效密码

为解决光合生物生产产量不足问题，研究人员探究蓝藻昼夜节律对碳分配影响，发现主观夜间蔗糖产量更高，具重要意义。

　　

在生物制造的奇妙世界里，蓝藻（Cyanobacteria）就像一群隐藏着巨大潜力的 “小精灵”，一直吸引着科学家们的目光。它们能利用光合作用，将阳光、二氧化碳转化为各种有用的物质，有望成为生产工业化学品、燃料和食物的 “绿色工厂”。然而，现实却给这份美好期望泼了冷水。目前，光合生物生产的产量不足，成为其迈向工业化的 “拦路虎”。其中，碳分配的难题尤为突出，产品形成与细胞生长、碳储存之间对碳源的竞争激烈，就像几个孩子在争抢有限的糖果，让生产效率大打折扣。

为了攻克这一难题，来自太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于聚球藻（Synechococcus elongatus）PCC 7942，深入探究昼夜节律（Circadian rhythm）调控对蓝藻碳分配的影响，试图找到提高生物生产效率的 “钥匙”。这项研究成果发表在《Microbial Cell Factories》上，为光合生物生产领域带来了新的曙光。

研究人员开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在培养实验方面，对经过代谢工程改造、能够生产和分泌蔗糖的聚球藻 PCC 7942 CscB/SPS 进行培养，严格控制培养条件，并对其进行同步化处理。在检测分析技术上，采用多种手段对培养过程中的各项指标进行精准测定，如通过测量光密度（OD₇₅₀）和细胞计数监测生长情况；利用气相色谱 - 质谱联用技术（GC - MS）对蔗糖进行定量分析；借助转录组分析技术，在多个时间点收集样本，对 RNA 进行测序和分析，从而深入了解基因表达变化。

下面来看看具体的研究结果：

• 昼夜节律对生长模式的影响：研究人员通过监测生物量积累（OD₇₅₀）和细胞数量，发现聚球藻在主观白天和夜间呈现出不同的生长模式。在实验的前 4 小时，主观白天和夜间培养的生物量增长相似，但在 6 - 8 小时，主观白天的培养物生长速率更快。而细胞分裂方面，主观夜间早期细胞分裂停止，细胞数量在 2 小时后趋于平稳，主观白天则是前 4 小时有限分裂，后 4 小时显著增殖。这表明昼夜节律在调控聚球藻生长模式中起着关键作用，并且不同生长阶段会影响细胞资源在生长、维持和产品形成之间的分配。
• 碳分配的差异：昼夜节律对细胞外蔗糖积累和细胞内糖原含量影响显著。主观白天细胞分泌的蔗糖量仅为夜间的约 30%，同时，白天细胞持续积累糖原，夜间则出现明显的糖原消耗。这种碳分配模式说明，糖原积累与蔗糖生产之间存在对固定碳的竞争关系，昼夜节律通过调控这种关系影响生物生产效率。
• 分子机制探究：为了解主观夜间蔗糖产量增加的分子基础，研究人员进行了转录组分析。结果显示，在聚球藻的 2706 个蛋白质编码基因中，有 768 个（28%）在不同时间点表达发生显著变化。主观夜间，光合作用相关途径的基因表达下调，但同时，参与糖原降解、戊糖磷酸途径（OPPP）、丙酮酸代谢等途径的基因表达上调。这些变化使得在主观夜间，蔗糖前体葡萄糖 - 1 - 磷酸和果糖 - 6 - 磷酸的可用性增加，同时维持了细胞的氧化还原平衡，为蔗糖生产创造了有利条件。

综合研究结果，研究人员得出结论：昼夜节律调控在蓝藻的生物生产过程中起着至关重要的作用。在主观夜间，尽管光合作用相关装置有所下调，但聚球藻的蔗糖产量比主观白天高约三倍。这一现象与糖原积累减少、细胞分裂停止同步，表明竞争代谢过程在时间上实现了分离。基于这些发现，研究人员提出了两种优化蓝藻生物生产产量的策略。一是利用生物生产菌株的自然昼夜节律调节，优化培养条件，在竞争减少的代谢状态下激活异源途径，如在夜间阶段前激活蔗糖生产途径，可使碳通量最大化地流向产品形成。二是运用合成生物学技术，对蓝藻菌株进行工程改造，减少碳浪费，例如修改糖原代谢调节因子、细胞分裂控制元件等关键靶点。然而，这些策略在工业实施过程中仍面临挑战，如大规模培养中代谢开关的精确时间控制、菌株稳定性和代谢负担等问题。尽管如此，这项研究为优化蓝藻生物生产提供了新的思路和方向，对推动光合生物生产领域的发展具有重要意义。它让我们更加深入地理解了蓝藻碳分配的调控机制，为未来开发高效的光合生物生产系统奠定了坚实的理论基础，有望在未来实现光合生物生产的工业化突破，让蓝藻这一 “绿色工厂” 真正发挥出巨大的生产潜力。