一个由神户大学领导的研究小组阐明了蓝细菌（Synechocystis sp。PCC 6803）产生D-乳酸的机制，表明苹果酸酶促进了这种产生。
随后，他们通过使用基因工程改造D-乳酸合成途径，成功地直接从CO 2和光中产生了世界上最高的D-乳酸产率（26.6g / L）。
图1：将二氧化碳转化为D-乳酸的途径。集胞藻 PCC 6803通过二氧化碳和光在其细胞内产生糖原。据揭示，当集胞藻属sp。积累了糖原的PCC 6803被置于缺氧的黑暗环境中，这激活了促进D-内酯产生的代谢途径（红色箭头表示）。
可以预期，这种成功将有助于开发重要的生产聚乳酸的工艺技术，该技术用于制造可生物降解的塑料。这可以帮助实现可持续的低碳社会的概念。
该研究组由神户大学工程生物学研究中心的HASUNUMA Tomohisa教授，神户大学科技与创新研究生院的HIDESE Ryota项目副教授和明治大学农学院的OSANAI Takashi副教授组成。
这项研究的结果于2020年1月31日在线发表在国际科学杂志ACS合成生物学上。
利用生物生产来合成通常来自石油的通用化学化合物和功能性原材料，对于环境和资源的可持续性都至关重要。
近年来，利用微生物的生物生产方法已受到关注。这些微生物中有微藻。使用阳光和CO 2可以从微藻生产各种有用的物质，例如油和颜料。
蓝细菌是一种快速生长的微藻，易于遗传修饰。蓝细菌以前曾被用来生产D-乳酸，但是低产率一直是阻碍这些方法实际应用的障碍。
蓝细菌通过光合作用将CO 2转化为糖糖原。然后，如果将在其细胞内积累了糖原的蓝细菌置于没有氧气的黑暗环境中。
则该糖原会被蓝细菌代谢，并将有机酸（如琥珀酸和乳酸）分泌到生长培养基中。为了从蓝细菌合成D-乳酸盐，需要增加丙酮酸盐的产量。
该研究小组发现，苹果酸酶将苹果酸转化为丙酮酸，对D-乳酸的生产至关重要。他们使用动态代谢组学阐明了D-乳酸生产的机理。
通过这一分析，他们发现，当细胞内产生过量的苹果酸酶时，不仅苹果酸会转化为丙酮酸，而且还会激活由糖原产生丙酮酸的途径（图1）。
D-乳酸通过D-乳酸脱氢酶从丙酮酸生物合成。该研究小组通过对D-乳酸脱氢酶进行基因改造以优化其功能，成功地从累积的糖原中产生了26.6 g / L的D-乳酸，转化率为94.3％（图2）。
这项研究代表了从CO 2生产D-乳酸的工业过程发展的重要进展。该小组旨在通过代谢途径优化和培养条件分析，继续提高D-乳酸的生产。
D-乳酸盐的市场很大，可用作生产可生物降解塑料的立体复合物PLA的原料。另一方面，为了使利用微生物进行生物合成的D-乳酸可行，需要高纯度和生产率。
存在使用异养微生物如大肠杆菌的生物生产方法，但是这些方法使用玉米或甘蔗中的糖（葡萄糖）作为生产的能源。
这意味着种植这些植物进行生物生产会引起许多问题，例如与粮食来源的竞争，耕地和淡水资源的使用以及对环境破坏（例如毁林）的贡献。
另一方面，蓝细菌是产生有用物质的理想微生物，因为它可以将通过光合作用固定的CO 2转化为各种目标化合物。
另外，蓝细菌具有比植物高得多的光合作用能力，这意味着它甚至可以在强光下生长。它不需要土壤，可以在海水中种植许多品种。
因此，人们希望蓝细菌可以为生物生产提供最终的基础，因为它仅需要阳光，CO 2和海水。
图2：转基因蓝细菌的D-内酯产率。在缺氧的黑暗条件下，发酵的蓝细菌溶液的细胞密度增加。这导致使用自养微生物成功生产了26.6 g / L的D-乳酸，这是世界上最高的速率。
众所周知，蓝细菌可以提供一种合成D-乳酸的方法，并且已经尝试使用遗传修饰来提高D-乳酸的产生。
但是，几乎所有产生D-乳酸的系统都通过光合作用与繁殖相联系，因此合成了少量这种目标物质。其原因是尚未充分了解在蓝细菌中产生D-乳酸的机理。
代谢组学分析技术使研究人员能够识别和计算细胞内发现的多种化合物。该研究小组开发了“动态代谢组学”，使他们能够观察随时间推移代谢的物质数量。
集胞藻 本研究中使用的PCC 6803蓝细菌是全球最常研究的蓝细菌之一。它是光合产物生产的典范生物，因为它易于遗传修饰且生长迅速。该小组先前使用动态代谢组学进行的研究表明。
琥珀酸主要通过苹果酸（Synechocystis sp。）中的苹果酸产生。PCC6803。当前的研究集中在苹果酸酶上，该酶将苹果酸转化为丙酮酸。
首先，他们旨在阐明苹果酸酶对集胞藻（Synechocystis sp。）代谢的影响。PCC 6803通过动态代谢组学。他们随后的目标是使用代谢工程技术增加D-乳酸的产生。
研究方法论
为了全面研究D-乳酸产生的机理，创建了两种类型的细胞：1.不具有苹果酸酶功能的细胞；和2.优化了该功能的细胞，导致苹果酸酶的过表达。
动态代谢组学用于分析这两个细胞之间的代谢差异。人们发现，当细胞中的苹果酸水平较低时，糖原会产生更多的丙酮酸（图1）。
该研究小组进一步对苹果酸酶进行了基因修饰，以优化细胞过度表达D-乳酸脱氢酶，并增强了D-乳酸脱氢酶从丙酮酸生产D-乳酸的功能。
此外，该小组对细胞进行了基因改造，以去除乙酸激酶，以抑制副产物酸的产生。修改后的集胞藻 然后在黑暗的缺氧环境（发酵条件）下培养PCC 6803。
在这些条件下，细胞达到了最佳密度。该研究小组以0.185 g / L / h的速度生产26.6 g / L，远远超过了世界上先前最高的D-乳酸产量（10.7 g / L）（图2）。认为该发现可以有助于产生高水平D-乳酸的低成本方法。
进一步的研究
蓝细菌可用于生产许多通用的化合物和功能性原料，但是该技术的开发尚不足以在工业规模上实施。
最大的问题是，与使用异养微生物时产生的数量相比，使用蓝细菌产生的目标化合物的含量较低。
当前的研究表明，动态代谢组学分析对于评估集囊藻的功能非常有效。根据动态代谢组学的结果，该小组通过基因改造其新陈代谢，使集囊藻能够发挥其全部潜能。
希望通过动态代谢组学和代谢工程技术提高蓝细菌的光合作用生产力，可以为实现可持续的低碳社会做出贡献。