综述：在生物工厂中改造光合微生物：挑战与机遇

《Current Opinion in Biotechnology》：Engineering photosynthetic microorganisms in biofoundries: challenges and opportunities

　　

Damien Douchi|Mathieu Husser|Lucile Jomat|Christophe H Marchand|Pierre Crozet|Stéphane D Lemaire

索邦大学，康皮恩理工学院，法国国家科学研究中心（CNRS），法国国家健康与医学研究院（INSERM），索邦大学生物制造联盟，法国巴黎F-75005

光合微生物能够直接将阳光和二氧化碳转化为生物质和生物产品。然而，大多数生物制造工厂仍然依赖农业糖类作为异养底物，这限制了其对全球脱碳的贡献。本文认为，可持续制造需要将微藻和蓝细菌整合到“设计-构建-测试-学习”（Design–Build–Test–Learn）流程中，并从生物质转换转向以光和二氧化碳为驱动的生产方式。我们重点介绍了在模式光合微生物中的遗传和细胞工程方面的进展，包括模块化克隆、基因组编辑和组织器官工程，这些技术使得脂质、异戊二烯类化合物和蛋白质的合成路径得以实现。同时，我们也讨论了自动化和标准化过程中遇到的特定挑战，例如生长速度较慢、转基因表达不稳定、叶绿素自荧光现象，以及需要控制的光照和气体交换机制，并强调了相关数据管理的重要性。最后，我们探讨了培养和放大过程中的限制因素，提出需要协同优化菌株特性、反应器设计和下游加工过程，以提高技术经济性和环境效益。因此，光合生物制造工厂对于实现低碳生物经济至关重要。

引言

生物制造工厂是自动化的、集成的合成生物学平台，它们通过迭代的设计-构建-测试-学习（DBTL）循环，利用机器人技术、高通量分析、机器学习和数据驱动的工作流程来加速生物工程的发展。通过标准化和自动化，这些工厂能够实现对菌株设计空间的可重复、大规模探索，已成为新兴生物经济的关键基础设施，特别是在利用细菌、酵母和哺乳动物细胞等异养模式生物开发食品成分、药品、精细化学品和先进材料方面。生物制造工厂通过提高通量、可重复性和将实验室概念快速转化为工业化应用的能力，彻底改变了传统生物工程的运作方式。

然而，当前的生物经济模式主要仍基于生物质转化，其中异养微生物将糖类和其他农业原料转化为目标产品，这导致了与耕地、化肥使用、水资源消耗和化石能源消耗相关的限制。对于燃料、大宗化学品或基础材料等高产量、低利润的商品来说，这类系统在经济上难以与石化路线竞争，尤其是当生物质生产与粮食和饲料作物争夺资源时。因此，即使经过高度优化的异养生物精炼厂，在推动全球工业脱碳方面的作用也受到结构性限制。

为了实现全球工业脱碳，合成生物学必须采用自养光合微生物作为可持续生物生产的平台，用现代工程化的光合作用来替代化石能源。光合微生物依靠丰富的、取之不尽的阳光作为能量来源，并能利用大气中的二氧化碳作为主要碳源，将其直接转化为生物质和高价值分子，从而实现碳中和甚至碳负排放的生物生产。除了生产脂质、色素和营养保健品外，这些微生物还可以通过代谢工程和光合作用优化技术生产萜类化合物、氢气和其他高附加值化合物。

为了充分发挥这一潜力，作为菌株开发基础的生物制造工厂必须根据光合微生物的生物学特性和工艺特点调整其工作流程、基础设施和工具箱。它们的复杂细胞生物学特性、缓慢的生长动力学、对光和二氧化碳的依赖性以及特殊的培养要求，需要新的遗传工具、筛选策略、培养平台和数据模型，这些都不是对异养生物工程工作的简单扩展。因此，建立专门用于大规模光合微生物工程化的生物制造工厂对于充分利用现代光合作用的潜力至关重要。本文综述了光合微生物的高通量自动化工程及其培养和放大过程中面临的挑战，同时也展示了将这些微生物纳入生物制造流程的具体机会和最新进展（见图1）。

章节摘录

遗传和细胞工程

对光合微生物进行工程改造需要克服与异养微生物不同的遗传和细胞学限制。绿藻Chlamydomonas reinhardtii是研究最广泛的光合模式生物，其核基因组、叶绿体基因组和线粒体基因组已被测序并进行了基因工程改造，同时还配备了MoClo工具包、全基因组突变文库和先进的光合体工程策略。

自动化和标准化挑战

将这些遗传能力应用于生物制造工厂实践中，需要解决与光合微生物生物学特性紧密相关的自动化和标准化问题。受控的、定位精确的导入机制和高效、可预测的基因编辑技术对于实现自动化工作流程的标准化至关重要，但对于许多藻类物种而言，基因工程仍然主要依赖于随机性的核基因插入，这会导致克隆间的显著差异。

培养和放大挑战

大规模培养光合微生物会带来不同于异养发酵的生物过程挑战，这些挑战显著影响光合生物生产的经济效益和环境表现。自养微藻和蓝细菌可以在海水中或含低质量有机物的淡水中利用无机营养物质和二氧化碳进行生长，从而可能降低原料成本和污染风险，但通常

结论

光合微生物是实现真正可持续和低碳生物经济的核心技术，它们能够通过独特的代谢途径直接将太阳能和二氧化碳转化为生物质和多样化产品。过去十年间，针对微藻和蓝细菌的合成生物学工具包取得了快速发展，包括模块化克隆系统、改进的基因组编辑技术等。

CRediT作者贡献声明

Damien Douchi：撰写原始草稿。Mathieu Husser：可视化制作、审稿和编辑。Lucile Jomat：撰写和审稿。Christophe H. Marchand：撰写和审稿、资金筹措。Pierre Crozet：资金筹措、撰写和审稿。Stéphane D. Lemaire：资金筹措、撰写和原始草稿的撰写。

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务冲突或个人关系。

本项工作得到了法兰西岛大区资助的项目DIM BioconvS以及由法兰西岛大区和政府共同资助的Sesame Filiere BFB（作为France 2030计划的一部分）的支持。