Accelerating innovation in biotechnology through knowledge in cyanobacterial photosynthesis

Abstract

Microalgae are potential hosts for the sustainable production of valuable chemicals using CO2 as feedstock and light as an energy source. In whole-cell applications, biosynthetic reactions of interest are supplied with cellular reductants (e.g., ferredoxin or NADPH) which are recycled by the native photosynthetic apparatus. Using gene-editing techniques, photosynthesis can be engineered to increase the supply of reductants to the reactions of interest. However, such efforts require specialized knowledge about the photosynthetic machinery. Here, regulatory mechanisms of photosynthesis were investigated using the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, a model organism of prokaryotic microalgae. In a primary regulatory process, excess photosynthetic electrons are transferred from ferredoxin to O2 via flavodiiron proteins. However, under controlled cultivation conditions, this process is dispensable and wastes reducing power. Here, it is shown that the heterodimeric flavodiiron proteins Flv1/Flv3 and Flv2/Flv4 have distinct electron sink capacities. Flv1/Flv3 disposes of electrons at a higher capacity and faster rate than Flv2/Flv4. The applicability of such knowledge is demonstrated by disrupting Flv1/Flv3 that consequently, enhanced the supply of reductants to a targeted chemical modification catalysed by a heterologous ene reductase. FLVB, a homolog of Flv3 in green algae has previously been shown to reduce not only O2 but nitric oxide (NO). This implies that flavodiiron proteins in cyanobacteria may be able to sink photosynthetic electrons into NO. However, it is shown here that NO inhibits photosynthesis in Synechocystis thus is unlikely to act as an efficient terminal electron acceptor in photosynthesis. Lastly, the promising cultivation conditions, photomixotrophy, were found to gradually decrease the photosynthetic capacity in Synechocystis. This decrease was reversed by deleting the cytochrome cM protein which appears to regulate the bioenergetic processes under photomixotrophic conditions. For developing an economically feasible and robust chassis to produce targeted compounds, scientific dilemmas are still to be solved at the laboratory scale. It is demonstrated that specialized knowledge created by fundamental research in photosynthesis provides a strong basis for innovative activity in the space of algae (cyanobacteria)-related biotechnologies.

Mikrolevien avulla voidaan mahdollisesti tuottaa arvokkaita kemikaaleja kestävästi käyttäen raaka-aineena hiilidioksidia ja energianlähteenä valoa. Koko solun sovelluksissa fotosynteesikoneiston kierrättämät solunsisäiset pelkistäjät (esim. ferredoksiini tai NADPH) mahdollistavat kyseiset biosynteettiset reaktiot. Geenieditointitekniikoilla voidaan muokata fotosynteesiä tuottamaan enemmän pelkistäjiä kyseisissä reaktioissa. Tämä vaatii kuitenkin fotosynteesikoneiston erityistä tuntemusta. Tässä työssä tutkittiin fotosynteesin säätelymekanismeja prokaryoottisen mikrolevä malliorganismin, Synechocystis sp. PCC 6803 - syanobakteerin, avulla. Primaarisessa säätelyprosessissa ylimääräiset fotosynteettiset elektronit kuljetetaan ferredoksiinilta O2:lle flavoproteiinien välityksellä. Kontrolloiduissa kasvatusolosuhteissa prosessi on kuitenkin tarpeeton ja tuhlaa pelkistysvoimaa. Tässä työssä osoitetaan, että flavoproteiinien Flv1/Flv3 ja Flv2/Flv4 heterodimeerien elektroninvastaanottajan ominaisuudet ovat erilaiset. Flv1/Flv3 poistaa elektroneja tehokkaammin ja nopeammin kuin Flv2/Flv4. Näiden tietojen sovellettavuus voidaan osoittaa estämällä Flv1/Flv3 heterodimeeri, minkä seurauksena fotosynteettisiä pelkistäjiä saadaan lisää kemialliseen reaktioon, jota katalysoi heterologinen ene-reduktaasi. Aiempi tutkimus on osoittanut, että FLVB, Flv3:n homologi viherlevissä, pelkistää O2:n lisäksi myös typpioksidia (NO). Syanobakteerien flavoproteiinit pystyvätkin mahdollisesti poistamaan fotosynteettisiä elektroneja typpimonoksidiin. Tässä työssä kuitenkin osoitetaan, että NO estää fotosynteesin Synechocystis-lajissa, joten on epätodennäköistä, että NO toimisi tehokkaana fotosynteesin viimeisenä elektronin vastaanottajana. Fotomiksotrofian, joka on lupaava kasvatusolosuhde, huomattiin asteittain vähentävän Synechocystislajin fotosynteettistä kapasiteettiä. Fotosynteettisen kapasiteetin väheneminen kumoutui poistamalla arvoituksellinen sytokromi cM -proteiini, joka ilmeisesti sääntelee bioenergeettisiä prosesseja fotomiksotrofisissa olosuhteissa. Tieteellisiä dilemmoja on vielä ratkaistavana laboratoriotasolla, jotta voidaan kehittää taloudellisesti järkevä ja vankka alusta haluttujen yhdisteiden tuottamiseksi. Tässä työssä osoitetaan, että fotosynteesin perustutkimuksen luoma erityistietous tarjoaa vahvan pohjan innovaatioille leviin (ja syanobakteereihin) liittyvissä bioteknologioissa.