Genteknik av cyanobakterier för ökad CO2-fixering och omdirigerad kolmetabolism

Vårt projekt

Fotosyntes är den viktigaste biologiska processen som använder solenergi för att omvandla vatten och luft (CO2) till kemiskt fixerat kol. Alla fotosyntetiska organismer (växter, alger och fotosyntetiska bakterier) skördar solenergi med hjälp av dedikerade pigment med specifika klorofyllmolekyler använder den insamlade energin för att generera högnivåelektroner genom att dela vatten i fotosystemet 2. Energi och elektroner, levererade från den ljusberoende processen i form av ATP respektive NADPH används för att omvandla CO2 till primära sockerarter. Som den huvudsakliga biologiska processen förser den jordklotet med t.ex. all primär mat och biomassa.

Förutom att vara beroende av solenergi är fotosyntesen klart begränsad av tillgången på CO2. Varje ökning från den naturliga 0,04% CO2 i luften kommer att öka graden av CO2-fixering och därefter generera mer primära sockerarter och därmed biomassa och ytterligare produkter. Genom evolutionen har olika mekanismer för att ta upp och fixera CO2 utvecklats i fotosyntetiska organismer, där huvudenzymkomplexet är Ribulos 1,5-bisfosfatkarboxylasoxygeneas (RuBisCO), det primära CO2-fixerande enzymet i Calvin-cykeln. Evolutionen utvecklade dock inte den mest effektiva RuBisCO, förutom att fixera CO2 (karboxylasaktivitet) har den också kapacitet att fixera O2 (oxygenasaktivitet).

Inhemska och konstruerade cyanobakterier har använts av oss och många andra laboratorier som modellsystem under lång tid för att undersöka, demonstrera och utveckla fotobiologisk H2-produktion. Dessutom har på senare tid även produktion av kolhaltiga solbränslen som etanol, butanol och isopren påvisats. Dessutom har liknande metoder använts för att konstruera cyanobakterier för att aktivt producera kolhaltiga molekyler som sockerarter, kolhydrater och andra organiska molekyler. I dessa sammanhang kan cyanobakteriecellen ses som en fotosyntetisk mikrobiell cellfabrik som använder solenergi för att driva framställningen av den valda och önskade föreningen. Kolhalten i den producerade föreningen har sitt ursprung i fotosyntetisk CO2-fixering, en begränsande väg för ökad effektivitet och hållbar produktion. Ur ett miljöperspektiv är cyanobakteriecellen en sänka för CO2 och minskar därmed dess negativa effekt på klimatet.

I detta projekt utforskar vi olika strategier för ökad CO2-fixering och därmed ökad produktivitet. Dessutom tar vi upp potentialen att omdirigera den inhemska kolmetabolismen för ett önskat syfte.

Referenser

• Liang, Lindblad (2017) Synechocystis PCC 6803 overexpressing RuBisCO grow faster with increased photosynthesis. Metabolic Engineering Communications 4: 29-36. (doi: 10.1016/j.meteno.2017.02.002.)
• Liang, Lindblad (2016) Effects of overexpressing photosynthetic carbon flux control enzymes in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. Metabolic Engineering 38: 56-64. (doi: 10.1016/j.ymben.2016.06.005.)
• Durall, Rukminasari, Lindblad (2016) Enhanced growth at low light intensity in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803 by overexpressing phosphenolpyruvate carboxylase. Algal Research 16: 275-281. (doi: 10.1016/ j.algal.2016.03.027.)
• Durall, Lindblad (2015) Mechanisms of carbon fixation and engineering for increased carbon fixation in cyanobacteria. Algal Res 11: 263-270. (doi: 10.1016/j.algal.2015.07.002)