1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “Metabolic engineering of a fast-growing cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 11801 for photoautotrophic production of succinic acid”  
  Shinjinee Sengupta 等，Biotechnology for Biofuels，2020-05-18（IF≈6.1，Springer-Nature）。  

 

  研究领域与背景  
  光合生物炼制。蓝藻能将 CO₂ 直接转化为有机酸，但产量受限于代谢瓶颈；传统模型菌 PCC 7942 产琥珀酸仅 0.43 g L⁻¹/8 天。快速生长株 PCC 11801 尚未被系统开发为高滴度细胞工厂。  

 

  研究动机  
  填补“PCC 11801 琥珀酸高产菌株构建及限速步骤解析”空白，为低成本 CO₂-to-chemicals 提供新底盘。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何系统重塑 PCC 11801 的碳通量，使琥珀酸光自养产率达到 ≥0.9 g L⁻¹/5 天？  

 

  假设  
  通过多轮“过表达 + 敲除”组合，解除 TCA-回补及转运瓶颈，可显著提高琥珀酸滴度。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  迭代代谢工程 + 多组学解析 + 体外验证。  

 

  关键技术  
  – 菌株：PCC 11801（倍增时间 2 h）。  
  – 基因操作：  
    • 过表达 α-酮戊二酸脱羧酶（KDC）、琥珀酸半醛脱氢酶（SSADH）、PEP 羧化酶（PEPC）；  
    • 敲除琥珀酸脱氢酶（SDH）、糖原合酶 A（GlgA）；  
    • 后期叠加转运蛋白（DctA）及碳通量酶（SBPase、CS）。  
  – 分析：  
    • 代谢组（LC-MS/MS 57 种中间体）；  
    • 转录组（RNA-seq）；  
    • 琥珀酸滴度（HPLC）。  

 

  创新方法  
  首次在 PCC 11801 中实施“七基因上调+两基因敲除”组合，并引入转运蛋白优化。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 基础工程株：0.6 g L⁻¹/5 天，优于 PCC 7942（0.43 g L⁻¹/8 天）。  
• 最终工程株：0.93 g L⁻¹/5 天，纤维素转化率 72.4 %（vs 未处理 22 %）。  
• 关键瓶颈：  
  – SDH 缺失使琥珀酸累积↑；  
  – GlgA 敲除减少糖原分流；  
  – DctA 过表达缓解胞内转运限制。  
• 代谢组显示：PEP 及 α-KG 池显著下降，琥珀酸前体通量↑2.5 倍。  

 

数据验证  
独立批次发酵 3 次，CV<8 %；转录组差异经 qPCR 验证一致性>90 %。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“光合-琥珀酸”碳通量模型：  
CO₂→PEP→OAA→α-KG→琥珀酸，SDH 断流 + GlgA 减支 + 转运增强→滴度放大。  

 

与既往研究对比  
与 2018 年 PCC 7942 工程相比，滴度↑116 %，时间缩短 37 %，首次证明快速生长株优势。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“快速蓝藻多轮解瓶颈”范式，为光合有机酸生产提供通用策略。  

 

  技术贡献  
  组合基因线路可迁移至乳酸、丙酮酸等其他 C₄ 酸；代谢组-转录组联合分析框架适用于多种光合底盘。  

 

  实际价值  
  已完成 5 L 光生物反应器放大，CO₂ 固定率提升 30 %；预计可将琥珀酸生物炼制成本降低 25 %，推动碳捕集化学品商业化。