青岛农业大学杨建明教授团队在光合固碳领域取得重要进展

青岛新闻网9月8日讯（记者 张晓楠）近日，青岛农业大学生命科学学院杨建明教授团队在光合固碳研究领域取得重要进展，相关研究结果发表在化学及绿色可持续发展技术领域顶级期刊Green Chemistry（2022, DOI: 10.1039/ D2GC02467E）（2021年IF为11.034，中科院JCR化学1区Top期刊，该期刊是英国皇家化学学会旗下面向绿色化学领域的国际知名期刊，在ESI CHEMISTRY学科领域排名为前10%）。学校李美洁副教授，硕士研究生夏青青、吕书喆为论文并列第一作者，杨建明教授为通讯作者，青岛农业大学为第一通讯单位。

CO2是地球上最主要的温室气体，但同时亦是自然界中最为丰富的C1资源。如何缓解CO2减排压力，为化工产业绿色可持续发展提供新的途径，成为全世界科学家们研究关注热点。而高效的CO2微生物固定技术，不仅能有效缓解温室效应，还能为化工产品生产开拓新原料，对实现“碳达峰“和”碳中和”具有十分重要意义。

番茄红素是一种天然存在的红色类胡萝卜素，因其具有抗氧化、抗癌、抗炎等特性而被广泛应用于医药、化妆品、食品等行业。番茄红素的制备方法主要有三种，即植物提取法、化学合成法和微生物法。由于植物(主要是番茄)中番茄红素含量低及化学合成时有毒化学试剂残留等缺点，近年来对微生物生产番茄红素研究成为热点。

据悉，杨建明教授团队利用合成生物学技术成功构建了一种新型的光合细菌——沼泽红假单胞菌平台，直接从CO2和生物柴油的副产物（废甘油）中直接合成高附加值化合物——番茄红素。首先，采用提高番茄红素生物合成关键酶、MEP途径关键酶和异源MVA途径的表达水平，并敲除竞争途径关键基因等手段，增强番茄红素碳代谢流；其次，通过宿主菌的适应性进化和外源甘油的添加，沼泽红假单胞菌光合自养固定CO2的效率得到极大提高。文中首次证明了甘油同化与CO2生物固定的显著协同效应机制：即甘油降解过程中产生的NADH为CO2的固定提供所需的电子，而甘油产生的磷酸二羟丙酮 (DHAP)有利于1,5-二磷酸核酮(Ru1,5P)的再生，这是Calvin-Benson-Bassham(CBB)循环中的关键步骤。最终的工程菌株RPLYC45在补加甘油及CO2补料分批培养中番茄红素含量达到283.22 mg/gDCW，是原始菌株的87.4倍，这是迄今为止报道的光合细菌利用生物固定CO2合成番茄红素所获得的最高产量。本研究结果表明沼泽红假单胞菌具有非常大的应用潜力：即被设计成一种以CO2和废甘油为原料的微生物细胞工厂，该合成过程比异养微生物(大肠杆菌、酿酒酵母等)中生产番茄红素的生物合成过程具有更绿色、更可持续性等优势。

上述研究工作得到国家自然科学基金面上项目、山东省草业一流学科项目、青岛农业大学高层次人才引进项目、山东省自然科学基金面上项目和国防科技创新特区重点探索项目等课题的资助。

Fig.1 Illustration of the metabolic pathways for carbon source dissimilation and lycopene production in R. palustris

Fig.2 Photosynthesis of lycopene from CO2 and glycerol in engineered R. palustris strain.