當今社會發(fā)展正面臨著嚴重的資源短缺和環(huán)境污染問題，在此背景下，發(fā)展光合生物制造技術(shù)，以太陽能和二氧化碳為原料實現(xiàn)生物燃料和生物基化學(xué)品的清潔生產(chǎn)成為推動可持續(xù)發(fā)展的重要選擇之一。藍細菌是一種極具潛力的光合微生物底盤細胞，具有結(jié)構(gòu)簡單、生長快速、遺傳操作便捷等優(yōu)勢，適宜于光驅(qū)固碳細胞工廠的開發(fā)。 青島能源所微生物代謝工程團隊（http://mme.qibebt.ac.cn/）長期致力于藍細菌代謝工程和合成生物學(xué)研究，以發(fā)展光合生物制造技術(shù)體系為導(dǎo)向，系統(tǒng)應(yīng)用合成生物學(xué)和代謝工程技術(shù)手段，開發(fā)藍細菌光合細胞工廠新型設(shè)計原則和構(gòu)建策略，成功打通了蔗糖、乙醇、乙烯、脂肪醇、脂肪烴等能源和化工產(chǎn)品的光合合成路線，并在Energy & Environmental Science、Metabolic Engineering、Biotechnology for Biofuels以及Applied and Environmental Microbiology等期刊上發(fā)表了系列論文。近期，研究團隊在生物技術(shù)領(lǐng)域重要綜述期刊Biotechnology Advances上發(fā)表了題為“Tailoring cyanobacterial cell factory for improved industrial properties”的論文，介紹了關(guān)于藍細菌光合細胞工廠開發(fā)的新視角。
近年來，微生物代謝工程團隊在推動藍細菌光合生物制造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的過程中發(fā)現(xiàn)，盡管實驗室條件下工程藻株光合合成天然或非天然代謝產(chǎn)物的能力可以得到極大提升，其規(guī)?；瘧?yīng)用卻在技術(shù)性和經(jīng)濟性兩個層面上受到諸多限制?；谡w成本和效益比的考慮，理想中的規(guī)?；夂仙镏圃鞈?yīng)該能夠在戶外、開放式環(huán)境中進行，以自然光、經(jīng)過簡單處理的海水甚至工業(yè)污水和工業(yè)廢氣為主要原料，培養(yǎng)得到的生物質(zhì)和目標產(chǎn)品的采收和提取也應(yīng)該盡可能的便捷、快速以及低成本化。而實際情況是，面臨遠比實驗室條件嚴苛的高溫、高光脅迫以及晝夜循環(huán)條件下光照-溫度-碳源供給的波動變化等條件下，藍細菌細胞工廠難以維持目標產(chǎn)品的穩(wěn)定合成；面臨培養(yǎng)體系中的高鹽、高堿以及潛在的生物污染條件，現(xiàn)有的藍細菌底盤藻株的生理適切性和魯棒性甚至都難以滿足穩(wěn)定培養(yǎng)的要求；同時，工業(yè)規(guī)模培養(yǎng)條件下，藍細菌細胞生物質(zhì)采收和目標產(chǎn)品提取都極為耗能且工藝復(fù)雜，從而極大地降低了整個技術(shù)鏈條的成本競爭力。
針對上述情況，微生物代謝工程團隊在綜述中系統(tǒng)性地提出了聚焦藍細菌光合細胞工廠開發(fā)工業(yè)過程導(dǎo)向的代謝工程新觀點（Industrial Process Oriented Metabolic Engineering, iPOME）。要實現(xiàn)藍細菌光合生物制造技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，需要提升光合細胞工廠與工業(yè)過程和工藝體系的兼容性與適配性，特別是藍細菌底盤藻株和工程藻株工業(yè)應(yīng)用特性的針對性優(yōu)化。研究團隊從以下幾方面總結(jié)了近期的相關(guān)研究進展，并對未來發(fā)展方向進行了分析與展望：1）改造藍細菌以克服晝夜交替條件的限制，實現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)的細胞生長和產(chǎn)物合成；2）改造藍細菌以提高藻株適切性和魯棒性，實現(xiàn)逆境脅迫下的穩(wěn)定光合生長和產(chǎn)物合成；3）改造藍細菌細胞采收特性，實現(xiàn)生物質(zhì)和光合產(chǎn)品的便捷、低成本的采收過程。綜述論文最后提出，隨著對藍細菌生理活動和代謝機制的深入認識，以及各種高效、精確基因組編輯手段的發(fā)展完善，新一代具有良好工業(yè)應(yīng)用特性的藍細菌光合細胞工廠將能夠成功“定制”，并極大的促進光合生物制造技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。
本綜述論文和相關(guān)系列研究得到國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金委中德合作研究項目、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目、中科院重點部署項目等的資助。（文/圖 欒國棟）
原文鏈接：
Guodong Luan, Xuefeng Lu. Tailoring cyanobacterial cell factory for improved industrial properties. Biotechnology Advances, 2018, 10.1016/j.biotechadv.2018.01.005.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0734975018300053
藍細菌光合生物制造技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用過程中的技術(shù)性和經(jīng)濟性挑戰(zhàn)
