用蓝藻细菌生产PHB，有望彻底改变塑料的生产方式

蓝细菌，又称微藻或蓝藻，是地球上最不起眼但功能最强大的细菌之一。大约23亿年前，正是蓝藻类创造了我们的大气层，以及在臭氧层中，通过光合作用保护我们免受紫外线辐射。

作为光合作用的副产品，蓝藻细菌会自然地生产塑料，而且它们是用一种可持续的、环保的方式来生产的。蒂宾根大学的研究人员首次成功地改变了这种细菌的新陈代谢，从而大量生产这种天然塑料，使其能够用于工业。这项研究发表在《微生物细胞工厂》(Microbial Cell Factories)和《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

在充气管中进行蓝细菌的简单实验室培养

他们发现具有令人惊讶的特性的蓝细菌菌株。蓝藻属的蓝藻产生聚羟基丁酸酯（PHB）。PHB的使用方式与塑料聚丙烯类似，但在环境中可快速降解，而且无污染。但是，这些细菌产生的数量通常很小。他们成功地确定了细菌中的控制系统，该系统限制了固定碳向PHB的细胞内流动。除去相应的调节剂然后进一步的改变遗传基因后，细菌产生的PHB数量大大增加，最终占细胞总质量的80％以上。

介绍：

目前，PHB是通过使用异养细菌（例如铜尿杆菌或大肠杆菌）发酵而生产的。然而，这些生产过程需要来自农作物的有机碳源才能生长和生产，并且对人类的粮食供应构成威胁。

另一种产生PHB的方法是，光养生物，如蓝藻的使用。Synechocystis sp. PCC 6803(以下简称“集胞藻”)为光养增长和PHB的天然生产者。在营养限制的条件下，例如氮饥饿，细胞以一种称为绿化病的过程进入静止状态。

在萎黄过程中，蓝藻不仅降低其光合机构，但也积累了大量的糖原作为碳和能量储存。在萎黄病的后期，细胞开始降解糖原并将其转化为PHB。但是，绿藻细胞的细胞内PHB含量仍然很低，仅占细胞干重（CDW）的10–20％。

最近的一项经济分析表明，导致蓝细菌中PHB生产能力低于异养生物的诱因之一是蓝细菌中PHB/CDW的比率低。因此，一个主要目标是优化蓝细菌，使它们积累更高的PHB。这不仅可以提高产量，而且可以简化从细胞中提取PHB的过程。

新的变体显示PHB产量增加

原理

研究人员在集胞藻中发现了一个基因，sll0944，它在新固定的CO₂的分配中起着关键作用。它编码一个小蛋白，称为PirC（PII-碳代谢的相互作用调节因子），作为PGAM的抑制剂，其对PGAM的作用由信号处理器蛋白PII控制。

在充足氮条件下（对应于低2-氧戊二酸水平），PirC与PII被隔离在一个复合物中。然而，在限氮条件下（对应2-氧戊二酸水平的升高），PII释放PirC，导致PGAM活性受到抑制。因此，低糖酵解的代谢通量被调节下来，大部分新固定碳被转化为糖原。

此外，我们还观察到，缺乏PirC的突变体在缺氮过程中过度积累PHB，这与缺乏PirC抑制而导致的PGM活性升高一致。这些发现确定了PirC是碳流向低糖酵解方向的开关，从那里可衍生出乙酰辅酶A和相关代谢产物，这表明PirC在蓝藻代谢工程中的作用。

因此，该研究的目的是通过删除PirC，结合其他已知的因素来提高PHB的合成，使PHB含量最大化。这生成了一种可以积累超过80% PHB的菌株，是迄今为止报道的最有效的PHB产氧光合生物。

集胞藻中重要的碳途径和PPT1的变化概述

总而言之，这项研究首次表明，蓝细菌具有积累大量PHB的潜力，以前认为这些PHB只保留给异养细菌。此外，我们证明，即使在以CO₂为唯一碳源的栽培条件下，集胞藻也能够积累大量的PHB。这与作为生物塑料的PHB的可持续生产具有高度相关性，并为工业生产碳中性塑料替代品奠定了基础。

该文章的研究人员科赫强调说：“从某种意义上说，蓝藻是我们星球的隐性拥护者。这突出了这种生物的巨大潜力。”由于蓝藻只需要水，CO₂和阳光，研究人员认为它们是气候友好和可持续发展的理想选择。科奇说：“一旦在工业上确立了蓝藻的地位，就可以彻底改变整个塑料生产方式。”他说，长期目标是优化细菌的利用，并将其增加到可以大规模使用的地步。

参考：

《Maximizing PHB content in Synechocystis sp. PCC 6803: a new metabolic engineering strategy based on the regulator PirC》

https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12934-020-01491-1