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生物燃料是解决由于传统化石燃料使用带来的能源、环境、资源等一系列问题的有效途径，近年来已经取得快速发展。第一代生物燃料以糖类、淀粉、油料作物等为原料，主要有生物乙醇和生物柴油，但存在与人争粮、与粮争地等诸多问题。以非粮生物质为原料的第二代生物燃料也面临一系列瓶颈问题，如原料的收集、运输、储存与预处理、纤维素降解、五碳糖转化等。第三代生物燃料以薇藻为主要原料，同样面临薇藻的规模培养、细胞收集等瓶颈问题。因此，研发建立生物燃料的新型转化技术路线成为当前的研究热点。近年来，蓝细菌由于具有能够进行光合作用、易于遗传改造等优点，以其作为新一代能源微生物系统进行生物燃料的研究越来越受到关注。其中，集胞藻PCC6803(Synechocystis sp.PCC6803)作为蓝细菌的代表物种，是第一个完成基因组测序的光能自养微生物，被作为模式生物受到广泛研究。
本研究以集胞藻PCC6803为基因工程宿主菌，通过表达外源脂酰辅酶A还原酶(FAR)基因，实现了利用光合作用从二氧化碳到脂肪醇的直接生物合成。并通过相关代谢工程改造，进一步提高了脂肪醇产量，同时，研究了不同培养条件对于脂肪醇产量的影响。主要研究内容及结果如下:
（一）分别构建了表达来源于小鼠（Mus musculus）、拟南芥（Arab idopsisthaliana）、荷荷芭（Simmondsia chinensis）和水油海杆菌(Marinobacter aquaeoleiVT8)的脂酰辅酶A还原酶基因的集胞藻PCC6803基因工程藻株，分析了脂肪醇的生物合成。结果显示，表达拟南芥的at3g11980、at3g11980-trunc、荷荷芭的far_jojoba和海杆菌的maqu_2220基因的藻株中检测到脂肪醇的积累，其中藻株Syn-LY43(表达来源于拟南芥的at311980-trunc)产量最高，为85.2μg OD-1L-1，脂肪醇的主要组成为正十六烷醇和正十八烷醇。
（二）研究了不同培养条件对集胞藻PCC6803基因工程藻株脂肪醇产量的影响。以藻株Syn-XT14为例研究了培养方式、培养时间、光照强度和环境胁迫（高光照、缺氮、缺磷）对于脂肪醇产量的影响，结果表明:(1)用柱式光反应器培养时，达到生长稳定期后的细胞浓度和单位产量与普通三角瓶培养相比均显著提高;(2)当藻株培养至稳定期后，细胞内的脂肪醇随培养时间延长而不断积累;(3)在一定光照范围之内，增加光照强度能够有助于提高脂肪醇产量，高光照胁迫条件下(250μE m-2 s-1)脂肪醇产量提高了约1倍;(4)藻株的缺氮和缺磷胁迫对于脂肪醇产量没有显著影响。
（三）脂酰辅酶A还原酶的多拷贝表达:(1)对不同来源的脂酰辅酶A还原酶基因在slr0168位点进行了串联表达;(2)在slr0168、agp（编码ADP-葡萄糖焦磷酸化酶）和phaAB(phaA编码β-酮硫解酶，phaB编码乙酰乙酰辅酶A还原酶)位点表达三份拷贝的脂酰辅酶A还原酶。同时，研究了agp和phaAB的敲除对脂肪醇产量的影响。结果表明，(1)在slr0168位点串联表达at3g11980和far_jojoba时，由于这两个脂酰辅酶A还原酶的底物选择性差异，不同碳链长度的脂肪醇的比例与分别进行单独基因表达时相比发生改变;(2)在slr0168、agp和phaAB位点表达三份拷贝的脂酰辅酶A还原酶时，脂肪醇产量比Syn-XT14提高1.4倍，达到152.2μg OD-1 L-1;(3)敲除phaAB时脂肪醇产量均没有显著变化，而agp基因在集胞藻PCC6803中不能被完全敲除。
（四）研究了sll0208基因（编码集胞藻PCC6803脂肪醛脱甲酰加氧酶）的敲除以及slr1609(编码集胞藻PCC6803脂酰辅酶A合成酶和脂酰-ACP合成酶)、sigE（编码sigma转录调节因子）、acc（编码集胞藻PCC6803乙酰辅酶A羧化酶）、fadD（编码Ecoli脂酰辅酶A合成酶）、acrM（编码不动杆菌脂酰辅酶A还原酶）和cer5（编码拟南芥ABC转运蛋白）的过表达及其对脂肪醇产量的影响。结果表明:(1) sll0208敲除之后，脂肪醇产量显著提高，其中，Syn-FQ52D08比Syn-FQ52脂肪醇产量提高42倍;Syn-XT14D08比Syn-XT14提高约2倍;(2) fadD、slr1609、acc、sigF和acrM的过表达对脂肪醇产量没有显著影响;(3)藻株Syn-LY198中表达cer5转运蛋白之后，细胞内的脂肪醇没有被有效地转运到细胞外，但细胞外游离脂肪酸的含量显著增加。