Kỹ thuật di truyền vi khuẩn lam để chuyển đổi CO2, nước và ánh sáng thành hydrocarbon chuỗi dài farnesene

Springer Science and Business Media LLC - Tập 98 - Trang 9869-9877 - 2014
Charles Halfmann1, Liping Gu1, William Gibbons, Ruanbao Zhou1
1Department of Biology and Microbiology, South Dakota State University, Brookings, USA

Tóm tắt

Vi khuẩn lam đã được kỹ thuật di truyền cung cấp một cách thuận tiện để chuyển đổi CO2 và H2O trực tiếp thành sinh năng lượng và hóa chất có giá trị cao mang lại lợi ích cho xã hội. Farnesene, một hydrocarbon chuỗi dài (C15H24), có nhiều ứng dụng trong dầu bôi trơn, mỹ phẩm, nước hoa và sinh năng lượng. Tuy nhiên, vẫn thiếu một phương pháp sản xuất farnesene bền vững qua quang hợp. Ở đây, chúng tôi báo cáo về việc sản xuất farnesene qua quang hợp từ vi khuẩn lam dạng sợi Anabaena sp. PCC 7120 chỉ sử dụng CO2, nước khoáng và ánh sáng. Một gen syntase farnesene được tối ưu hóa về mã di truyền đã được tổng hợp hóa học và sau đó được biểu hiện trong vi khuẩn lam, cho phép nó tổng hợp farnesene thông qua con đường không mevalonate (MEP) nội sinh của nó. Farnesene được thải ra từ vi khuẩn lam đã được kỹ thuật di truyền sẽ bay hơi vào không gian trên của bình và được thu hồi bằng cách hấp phụ trên cột nhựa. Năng suất quang hợp tối đa của farnesene đạt 69,1 ± 1,8 μg·L−1·O.D.−1·d−1. So với loại hoang dã, vi khuẩn lam sản xuất farnesene còn thể hiện hoạt động PSII cao hơn 60% dưới ánh sáng mạnh, cho thấy năng suất farnesene tăng trong những điều kiện đó. Chúng tôi hình dung vi khuẩn lam được kỹ thuật di truyền như một nhà máy bio-năng lượng để sản xuất quang hợp một loạt các sinh năng lượng và hóa chất thương mại.

Từ khóa

#Farnesene #vi khuẩn lam #kỹ thuật di truyền #sản xuất bền vững #hóa chất sinh học

Tài liệu tham khảo

Atsumi S, Higashide W, Liao JC (2009) Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde. Nat Biotechnol 27(12):1177–1180. doi:10.1038/Nbt.1586 Bentley FK, Melis A (2012) Diffusion-based process for carbon dioxide uptake and isoprene emission in gaseous/aqueous two-phase photobioreactors by photosynthetic microorganisms. Biotechnol Bioeng 109(1):100–109. doi:10.1002/Bit.23298 Bentley FK, Garcia-Cerdan JG, Chen HC, Melis A (2013) Paradigm of monoterpene (beta-phellandrene) hydrocarbons production via photosynthesis in cyanobacteria. Bioenerg Res 6(3):917–929. doi:10.1007/s12155-013-9325-4 Bentley FK, Zurbriggen A, Melis A (2014) Heterologous expression of the mevalonic acid pathway in cyanobacteria enhances endogenous carbon partitioning to isoprene. Mol Plant 7(1):71–86. doi:10.1093/Mp/Sst134 Buijs NA, Siewers V, Nielsen J (2013) Advanced biofuel production by the yeast Saccharomyces cerevisiae. Curr Opin Chem Biol 17(3):480–488. doi:10.1016/j.cbpa.2013.03.036 Cohen JE (2003) Human population: the next half century. Science 302(5648):1172–1175. doi:10.1126/science.1088665 Dexter J, Fu PC (2009) Metabolic engineering of cyanobacteria for ethanol production. Energ Environ Sci 2(8):857–864. doi:10.1039/B811937f Ducat DC, Way JC, Silver PA (2011) Engineering cyanobacteria to generate high-value products. Trends Biotechnol 29(2):95–103. doi:10.1016/j.tibtech.2010.12.003 Ducat DC, Avelar-Rivas JA, Way JC, Silver PA (2012) Rerouting carbon flux to enhance photosynthetic productivity. Appl Environ Microbiol 78(8):2660–2668. doi:10.1128/Aem.07901-11 Elhai J, Vepritskiy A, MuroPastor AM, Flores E, Wolk CP (1997) Reduction of conjugal transfer efficiency by three restriction activities of Anabaena sp. strain PCC 7120. J Bacteriol 179(6):1998–2005 Golden SS (1995) Light-responsive gene-expression in cyanobacteria. J Bacteriol 177(7):1651–1654 Gomez LD, Steele-King CG, McQueen-Mason SJ (2008) Sustainable liquid biofuels from biomass: the writing’s on the walls. New Phytol 178(3):473–485. doi:10.1111/j.1469-8137.2008.02422.x Gronenberg LS, Marcheschi RJ, Liao JC (2013) Next generation biofuel engineering in prokaryotes. Curr Opin Chem Biol 17(3):462–471. doi:10.1016/j.cbpa.2013.03.037 Halfmann C, Gu L, Zhou R (2014) Engineering cyanobacteria for the production of a cyclic hydrocarbon fuel from CO2 and H2O. Green Chem 16(6):3175–3185. doi:10.1039/C3GC42591F Huang HH, Lindblad P (2013) Wide-dynamic-range promoters engineered for cyanobacteria. J Biol Eng 7(1), Artn 10 Huang HH, Camsund D, Lindblad P, Heidorn T (2010) Design and characterization of molecular tools for a synthetic biology approach towards developing cyanobacterial biotechnology. Nucleic Acids Res 38(8):2577–2593. doi:10.1093/Nar/Gkq164 Lindberg P, Park S, Melis A (2010) Engineering a platform for photosynthetic isoprene production in cyanobacteria, using Synechocystis as the model organism. Metab Eng 12(1):70–79. doi:10.1016/j.ymben.2009.10.001 Liu XY, Sheng J, Curtiss R (2011) Fatty acid production in genetically modified cyanobacteria. Proc Natl Acad Sci USA 108(17):6899–6904. doi:10.1073/pnas.1103014108 Martin VJJ, Pitera DJ, Withers ST, Newman JD, Keasling JD (2003) Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nat Biotechnol 21(7):796–802. doi:10.1038/Nbt833 Martin DM, Faldt J, Bohlmann J (2004) Functional characterization of nine Norway spruce TPS genes and evolution of gymnosperm terpene synthases of the TPS-d subfamily. Plant Physiol 135(4):1908–1927. doi:10.1104/pp. 104.042028 Meeks J, Castenholz R (1971) Growth and photosynthesis in an extreme thermophile, Synechococcus lividus (Cyanophyta). Arch Mikrobiol 78(1):25–41. doi:10.1007/BF00409086 Nigam PS, Singh A (2011) Production of liquid biofuels from renewable resources. Prog Energy Combust 37(1):52–68. doi:10.1016/j.pecs.2010.01.003 Okada K, Hase T (2005) Cyanobacterial non-mevalonate pathway: (E)-4-hydroxy-3-methylbut-2-enyl diphosphate synthase interacts with ferredoxin in Thermosynechococcus elongatus BP-1. J Biol Chem 280(21):20672–20679. doi:10.1074/jbc.M500865200 Oliver JWK, Machado IMP, Yoneda H, Atsumi S (2013) Cyanobacterial conversion of carbon dioxide to 2,3-butanediol. Proc Natl Acad Sci U S A 110(4):1249–1254. doi:10.1073/pnas.1213024110 Oliver JWK, Machado IMP, Yoneda H, Atsumi S (2014) Combinatorial optimization of cyanobacterial 2,3-butanediol production. Metab Eng 22:76–82. doi:10.1016/j.ymben.2014.01.001 Paradise EM, Kirby J, Chan R, Keasling JD (2008) Redirection of flux through the FPP branch-point in Saccharomyces cerevisiae by down-regulating squalene synthase. Biotechnol Bioeng 100(2):371–378. doi:10.1002/Bit.21766 Parmar A, Singh NK, Pandey A, Gnansounou E, Madamwar D (2011) Cyanobacteria and microalgae: a positive prospect for biofuels. Bioresour Technol 102(22):10163–10172. doi:10.1016/j.biortech.2011.08.030 Pechous S, Whitaker B (2004) Cloning and functional expression of an (E, E)-α-farnesene synthase cDNA from peel tissue of apple fruit. Planta 219(1):84–94. doi:10.1007/s00425-003-1191-4 Peralta-Yahya PP, Keasling JD (2010) Advanced biofuel production in microbes. Biotechnol J 5(2):147–162. doi:10.1002/biot.200900220 Peralta-Yahya PP, Zhang F, del Cardayre SB, Keasling JD (2012) Microbial engineering for the production of advanced biofuels. Nature 488(7411):320–328. doi:10.1038/nature11478 Perez-Gil J, Rodriguez-Concepcion M (2013) Metabolic plasticity for isoprenoid biosynthesis in bacteria. Biochem J 452:19–25. doi:10.1042/Bj20121899 Pitera DJ, Paddon CJ, Newman JD, Keasling JD (2007) Balancing a heterologous mevalonate pathway for improved isoprenoid production in Escherichia coli. Metab Eng 9(2):193–207. doi:10.1016/j.ymben.2006.11.002 Qi FX, Yao L, Tan XM, Lu XF (2013) Construction, characterization and application of molecular tools for metabolic engineering of Synechocystis sp. Biotechnol Lett 35(10):1655–1661. doi:10.1007/s10529-013-1252-0 Ruffing AM (2011) Engineered cyanobacteria: teaching an old bug new tricks. Bioeng Bugs 2(3):136–149 Sakurai H, Masukawa H, Kitashima M, Inoue K (2013) Photobiological hydrogen production: bioenergetics and challenges for its practical application. J Photochem Photobiol C 17:1–25. doi:10.1016/j.jphotochemrev.2013.05.001 Tippmann S, Chen Y, Siewers V, Nielsen J (2013) From flavors and pharmaceuticals to advanced biofuels: production of isoprenoids in Saccharomyces cerevisiae. Biotechnol J 8(12):1435–1444. doi:10.1002/biot.201300028 Ungerer J, Tao L, Davis M, Ghirardi M, Maness PC, Yu JP (2012) Sustained photosynthetic conversion of CO2 to ethylene in recombinant cyanobacterium Synechocystis 6803. Energ Environ Sci 5(10):8998–9006. doi:10.1039/C2ee22555g Velasco J (2013) Amyris meets major milestone at its farnesene production facility. Press release. Amyris Incorporated Voegele E (2014) Amyris reports reduced farnesene production costs in 2013 results. Biomass Magazine Vranova E, Coman D, Gruissem W (2013) Network analysis of the MVA and MEP pathways for isoprenoid synthesis. Annu Rev Plant Biol 64:665–700. doi:10.1146/annurev-arplant-050312-120116 Wang C, Yoon SH, Jang HJ, Chung YR, Kim JY, Choi ES, Kim SW (2011) Metabolic engineering of Escherichia coli for alpha-farnesene production. Metab Eng 13(6):648–655. doi:10.1016/j.ymben.2011.08.001 Yang Y, Huang XZ, Wang L, Risoul V, Zhang CC, Chen WL (2013) Phenotypic variation caused by variation in the relative copy number of pDU1-based plasmids expressing the GAF domain of Pkn41 or Pkn42 in Anabaena sp PCC 7120. Res Microbiol 164(2):127–135. doi:10.1016/j.resmic.2012.10.010