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Integrative network‐level rewiring of photosynthetic metabolism boosts phycocyanin biosynthesis in cyanobacterial chassis

光合作用 藻蓝蛋白 蓝藻 化学 生物化学 颜料 新陈代谢 生物合成 植物 生物 光合色素 叶绿体 能量代谢 代谢途径 酵母 类胡萝卜素 次生代谢
作者
Kaixin Wei,Die Rui,Yuchen Yuan,J Chen,Jiajun Cao,Liyun Sun,Jianhua Fan
出处
期刊:Plant Journal [Wiley]
卷期号:126 (3): e70916-e70916
标识
DOI:10.1111/tpj.70916
摘要

SUMMARY Phycocyanin (PC) is a key light‐harvesting pigment protein in the phycobilisome of cyanobacteria and rhodophyta, and is currently the only natural blue pigment successfully commercialized. However, its application is limited by complex biosynthetic and degradative regulation, which constrain efficient CO 2 ‐based green production. Here, using Synechocystis sp. PCC 6803 as a photosynthetic chassis, the phycocyanobilin (PCB) precursor network was then systematically reconstructed to overcome key biosynthetic bottlenecks. For the first time in cyanobacteria, the C4 synthesis pathway of 5‐aminolevulinic acid (5‐ALA) was introduced together with enhancement of the native 5‐ALA supply route. Combined with ferrochelatase (Ppfc)‐mediated redirection of metabolic flux, this strategy expanded and stabilized the tetrapyrrole metabolic pool, resulting in a synergistic enhancement of PCB biosynthesis. In parallel, modulation of apophycocyanin expression was incorporated to better coordinate chromophore supply with phycobiliprotein assembly. In addition, genetic suppression of phycobilisome degradation under high light conditions effectively prolonged the functional half‐life of PC. The multimodule engineered strain achieved a PC content of 124.62 mg g −1 under gas‐bubbling cultivation, corresponding to a 66.92% increase over the wild‐type, accompanied by improved photosystem II (PSII) photochemical efficiency, enhanced electron transport, and elevated photoprotective pigment levels. These results demonstrate that efficient PC biosynthesis emerges from coordinated, system‐level engineering of the photosynthetic network rather than amplification of a single metabolic node. This work establishes a scalable paradigm for CO 2 ‐driven green manufacturing of pigment proteins and the construction of robust photosynthetic cell factories.
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