屋外レースウェイ池の生物汚染対策として、PCC7942における亜リン酸塩代謝の代謝工学を有効な手段として提案する

Metabolic engineering of phosphite metabolism in PCC 7942 as an effective measure to control biological contaminants in outdoor raceway ponds.

• Sandra Isabel González-Morales
• Navid Berenice Pacheco-Gutiérrez
• Carlos A Ramírez-Rodríguez
• Alethia A Brito-Bello
• Priscila Estrella-Hernández
• Luis Herrera-Estrella
• Damar L López-Arredondo

抄録

背景には以下のようなものがある。:

バイオ燃料や付加価値の高いバイオ製品を生産するための細胞工場としてのシアノバクテリアや微細藻類の利用は、過去20年の間に大きな注目を集めてきた。この分野を発展させるために、官民によって重要な投資が行われてきた。しかし、屋外条件下でシアノバクテリアや微細藻類を培養するための実行可能で費用対効果の高いプラットフォームを開発することが課題となっている。また、細菌や雑草藻・シアノバクテリアなどの生物による汚染への対処は、効果的な培養プロセスを確立するための大きな制約となっている。

Background: The use of cyanobacteria and microalgae as cell factories to produce biofuels and added-value bioproducts has received great attention during the last two decades. Important investments have been made by public and private sectors to develop this field. However, it has been a challenge to develop a viable and cost-effective platform for cultivation of cyanobacteria and microalgae under outdoor conditions. Dealing with contamination caused by bacteria, weedy algae/cyanobacteria and other organisms is a major constraint to establish effective cultivation processes.

結果:

ここでは、培養中の生物学的汚染を制御するためのリン選択栄養システムのシアノバクテリウムPCC 7942での実装について説明する。このシステムは、バクテリアの亜リン酸酸化還元酵素（PtxD）を発現させることにより、ほとんどの生物が通常代謝しないリン源である亜リン酸を代謝するための代謝工学に基づいている。PtxDを発現する工学株は、リン酸塩を補充した非形質転換対照と同様に、亜リン酸塩を補充した培地上で同様の速度で成長する。ガラスフラスコ内の唯一のリン源として亜リン酸塩を含む培地で生育した場合、システムが灌漑用水路から分離された天然の競争相手を意図的に接種した場合でも、遺伝子組換え株は生育し、生物学的汚染物質に打ち勝つことができたことを示している。PtxD/リン酸塩系は、無菌条件下で、容器や培地を滅菌する必要がなく、100Lの円筒形リアクターや1000Lのレースウェイ池での屋外栽培に成功した。最後に、我々はまた、PtxD/ホスファイト系がPCC 7942トランスジェニック株選択のための選択可能なマーカーとして使用でき、抗生物質耐性遺伝子を必要としないことを示す。

Results: Here, we describe the implementation in the cyanobacterium PCC 7942 of a phosphorus selective nutrition system to control biological contamination during cultivation. The system is based on metabolic engineering of to metabolize phosphite, a phosphorus source not normally metabolized by most organisms, by expressing a bacterial phosphite oxidoreductase (PtxD). Engineered strains expressing PtxD grow at a similar rate on media supplemented with phosphite as the non-transformed control supplemented with phosphate. We show that when grown in media containing phosphite as the sole phosphorus source in glass flasks, the engineered strain was able to grow and outcompete biological contaminants even when the system was intentionally inoculated with natural competitors isolated from an irrigation canal. The PtxD/phosphite system was successfully used for outdoor cultivation of engineered in 100-L cylindrical reactors and 1000-L raceway ponds, under non-axenic conditions and without the need of sterilizing containers and media. Finally, we also show that the PtxD/phosphite system can be used as selectable marker for PCC 7942 transgenic strains selection, eliminating the need of antibiotic resistance genes.

結論:

我々の結果は、PtxD/ホスファイト系が、滅菌または他の複雑な無菌手順を必要とせずに生物学的汚染物質を制御するための安定で十分に堅牢な戦略であることを示唆している。我々のデータは、PtxD/亜リン酸系を選択可能なマーカーとして使用することができることを示しており、非アクセニック屋外反応器でシアノバクテリウムPCC 7942を低コストで生産できることを示している。

Conclusions: Our results suggest that the PtxD/phosphite system is a stable and sufficiently robust strategy to control biological contaminants without the need of sterilization or other complex aseptic procedures. Our data show that the PtxD/phosphite system can be used as selectable marker and allows production of the cyanobacterium PCC 7942 in non-axenic outdoor reactors at lower cost, which in principle should be applicable to other cyanobacteria and microalgae engineered to metabolize phosphite.

© The Author(s) 2020.