2024合成生物学竞赛常规赛队伍专题之Shanghaitech-China团队丨点亮未来：合成生物光源“蓝藻灯”

人类历史上对于照明的需求一直存在，我们的祖先就渴望在漆黑的夜晚拥有能够有效驱散黑暗、带来光明的光源，从而摆脱“日出而作，日入而息”的循环。于是，从古至今涌现出无数能工巧匠为得到更好的光源而孜孜不倦地努力，开发出煤油灯、白炽灯、LED灯等照明工具，推进了人类照明技术的不断发展。

然而，随着人类对光源的需求越来越大，照明已成为了能源消耗和碳排放的重要组成部分。仅在2021年上半年，中国用于发电的煤炭消耗量就达到了15.7亿吨，天然气用于发电的消耗量则达到了1827亿立方米，根据国家能源局的数据，照明用电消耗量占中国总用电量的10%-12%。尽管如今广泛使用的荧光灯和LED灯在节能方面有很大优势，但其在生产和废弃物处理过程中涉及汞、锑等危险的金属元素，仍然存在一些环境和健康问题。即使是太阳能灯也并非完美，不考虑维护和辅助材料的使用，生产1kW光伏板就需要消耗5800至6000千瓦时的电力。由此可见，开发出更加绿色环保的照明工具是很有必要的。

进化的奇迹给予了我们启示和希望：中国东海沿岸常常会出现被称为“蓝眼泪”的梦幻现象，这种现象由多种夜光藻引起，其胞内含有荧光素和荧光素酶。当夜光藻受到海浪等强烈扰动时，荧光素酶会催化荧光素与氧气反应产生激发态的荧光素。在荧光素返回基态的过程中，它会释放出浅蓝色的荧光。于是我们想象，如果能够将这种既可以吸收二氧化碳，又可以将太阳能转化为光能的藻类用于照明，就为减少由于照明导致的能源消耗和碳排放提供了理想的方案。然而，困难在于这种藻类的大量繁殖与水体富营养化污染有关，普通的培养条件不易使它们成为可靠和持续的光源。合成生物学为我们提供了解决办法——可以将荧光素相关基因整合到常用的表达系统中，创造出人工的夜光藻。

我们利用发光细菌中常见的luxCDABE基因簇来实现自发光。luxA、luxB分别编码荧光酶的两个亚基，长链醛、还原黄素单核苷酸（FMNH2）和分子氧被会荧光素酶（LuxAB）转化为相应的长链酸、氧化黄素单核苷酸（FMN）和水，并发出约为 490 nm波长的光。luxC、luxD、luxE分别编码依赖NADPH的脂肪酸还原酶、酰基转移酶和ATP合成酶，三者共同构成脂肪酸还原酶复合体，产生长链脂肪醛作为发光反应的电子供体[1]。发光所需的物质基本上存在于所有需氧生物体的细胞质中，因此表达 luxCDABE 操纵子的细菌会自发发光[2]。

图1：luxCDABEGF基因发光原理

luxAB在氧化过程中会发出蓝光（490nm），可作为报告基因用于微生物实验，但这种荧光比较微弱，不足以用于照明。通过添加荧光蛋白、luxF和luxG能够显著增加荧光强度。当荧光蛋白cp157Venus与LuxB蛋白的C端融合时，由于LuxA、LuxB和cp157Venus之间的荧光共振能量转移，Lux操纵子系统的发光强度增加，光的波长也发生了变化[3]。我们还添加了luxF和luxG基因来提高亮度，luxF会通过与荧光素酶抑制剂结合来提高荧光素酶的活性[4]。luxG 则有助于循环利用额外底物 FMNH2 用于发光[5]。在大肠杆菌表征实验中我们将最初的luxCDABE操纵子、黄色荧光蛋白和luxG、luxF进行组合，发现荧光强度达到了luxCDABE的1.6倍。

除了更好地实现荧光功能本身外，我们还希望使“蓝藻灯”变得“智能”，即能够在进入夜晚后自动开启，在白天自动关闭。幸运的是，作为光合自养生物，蓝藻具有固有的生物钟节律系统。通过一系列蛋白质相互作用和磷酸化修饰，启动子PkaiBC能够以大约24小时为周期产生振荡输出[6,7]。通过将lux发光基因簇连接到PkaiBC的下游，就可以实现荧光基因的昼夜节律表达。

图2：利用节律启动子实现自发光振荡输出

作为光合自养生物，蓝藻的能量代谢在很大程度上用于自持，在夜间维持大量外源蛋白的表达十分具有挑战性。因此“蓝藻灯”还需要进行一些调整代谢以满足荧光发射需求。通过表达针对编码葡萄糖-6-磷酸转位酶基因Glgc的sRNA，可以减少葡萄糖-6-磷酸转化为ADP-葡萄糖和糖原的合成，从而使更多的物质流入蔗糖合成，提高光合效率[8]。我们还了解到蓝藻中丙酮酸浓度远高于乙酰辅酶A，这表明存在着显著未开发的代谢潜力。通过表达丙酮酸脱氢酶，可以将更多的丙酮酸分解为乙酰辅酶A，从而释放出这种未开发的代谢潜力[9]。

图3：蓝藻代谢通路调整

综上所述，通过将荧光素相关基因整合到蓝藻中，并结合生物钟节律系统和调整代谢途径，可以创造出一种具有自发光能力且受节律调控的生物光源，它不仅具备较高的亮度和多样化的发光颜色，更重要的是它完全摆脱了对传统能源的依赖，是一项能够固定二氧化碳的“负碳”技术。合成生物光源“蓝藻灯”可为照明技术的发展带来了崭新的思路和无限可能，我们对合成生物学技术的不断革新和发展充满期待，相信在不久的将来，人类能够开发出更加绿色环保的光源，早日实现“碳中和”的目标，点亮可持续发展的未来。