代谢工程与代谢组学联用强化蓝藻合成琥珀酸的机制研究及生产优化

本研究通过代谢工程改造蓝藻（Synechococcus elongatus PCC 11801），异源表达乙醛酸循环关键酶（ICL/MS）并敲除琥珀酸脱氢酶（SDH），结合非靶向代谢组学分析，在5×BG11培养基中实现350 mg/L琥珀酸产量。研究揭示了碳代谢通量重定向（TCA循环与乙醛酸分流协同）对琥珀酸积累的促进作用，为光合自养生物合成高附加值化学品提供了新策略。

　　

Highlight

乙醛酸途径异源表达显著提升琥珀酸产量

野生型S. elongatus PCC 11801仅产生5 mg/L琥珀酸。通过强启动子P_psbA1和P_cpcb300分别表达异柠檬酸裂解酶（ICL）和苹果酸合酶（MS）（图S1），构建了单基因表达载体和双基因操纵子。染色体整合后，工程菌株在5×BG11培养基中琥珀酸产量提升至350 mg/L，证实乙醛酸分流可有效规避TCA循环的碳损失。

CRISPR-Cpf1敲除SDH强化碳通量

利用CRISPR-Cpf1靶向敲除琥珀酸脱氢酶（SDH）基因，阻断琥珀酸向延胡索酸的转化。代谢组学显示该操作导致TCA循环中间体积累，同时伴随氨基酸谱和氧化还原状态的显著变化，表明细胞需平衡代谢压力与产物合成。

讨论

本研究通过引入乙醛酸分流（ICL/MS）和抑制竞争途径（SDH敲除），在蓝藻中建立了高效的琥珀酸合成平台。cpcb300启动子驱动的稳定表达体系优于传统强启动子，而高密度培养结合低光强（100-300 μmol m^?2 s^?1）和富CO₂条件进一步优化了产量。代谢组学揭示了糖酵解通量增加和TCA循环重构的协同效应，为后续理性设计提供了关键靶点。