葡萄糖是最丰富的单糖，是细胞的重要能源和生物精炼工业的重要原料。植物-生物质-糖路线在当前的葡萄糖供应中占主导地位，但它受到多种参数的影响，例如植物栽培周期、生物质收集半径和预处理成本。

在全球气候危机和粮食短缺日益严重的背景下，需要开发更高效、连续、工业化的葡萄糖生产路线。然而，通过自然光合作用过程将二氧化碳直接转化为葡萄糖长期以来一直没有取得突破。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所陆雪峰研究员和栾国栋研究员领导的研究小组发现了限制蓝藻直接转化碳的关键因素。将二氧化碳转化为葡萄糖，他们构建了高效的葡萄糖合成光合细胞工厂。该研究于6月9日发表在《自然通讯》上。

在光合自养生物中，例如高等植物和藻类，合成葡萄糖作为碳和能量的储存。葡萄糖代谢与光系统具有复杂的相互作用，干扰色素的合成和代谢，甚至可能抑制光合作用活动。因此，游离葡萄糖在光合细胞代谢中很少合成或过量积累。

研究小组利用重要的蓝细菌SynechococcuselongatusPCC7942作为底盘，并确定天然葡萄糖激酶活性是限制葡萄糖合成代谢潜力的瓶颈。

两个葡萄糖激酶基因的靶向敲除扰乱了碳水化合物代谢，并激活了通过蔗糖代谢网络向葡萄糖的代谢流。葡萄糖合成的增强促进了PCC7942染色体上特定自发基因组突变的富集，从而促进了葡萄糖的有效分泌。

“这些发现强调了蓝藻代谢的可塑性，并证明了它们直接光合作用生产葡萄糖的潜力，”栾教授说。

研究人员进一步阐明了导致葡萄糖合成和分泌的途径和突变，并优化了重组菌株的葡萄糖合成性能。通过后续的代谢工程和培养优化，工程菌株在长期培养过程中分泌的葡萄糖超过5g/L，占固定碳源高达70%。

“这是在自然光合作用和稳定的葡萄糖合成之间建立直接联系的首次成功尝试，”卢教授说。“我们的研究结果揭示了利用太阳能和二氧化碳开发和工业化更具定向性和连续性的葡萄糖生产系统。”