利用光合細菌藻及溫室蒸餾從二氧化碳和水生產乙醇的制作方法

專利名稱：利用光合細菌藻及溫室蒸餾從二氧化碳和水生產乙醇的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物燃料生產技術。更具體地說，本發明公開了一種設計產氧光合 細菌藻及溫室蒸餾系統利用二氧化碳和水生產乙醇的方法.本設計所創建的轉基因的產氧 光合細菌藻使用光合作用獲得的氧化還原力(NADPH)和能量(ATP)把二氧化碳(C02)和 水(H2O)轉化合成乙醇(CH3CH20H)。相互參照相關專利申請這項專利申請要求受益于在2008年2月22日提交申請的美國臨時專利申請編號 US61/066770和US61/066,771，和在2008年2月23日提交申請的美國臨時專利申請編 號US61/066,832。這三個美國臨時專利申請的全部披露納入本專利申請的參考。
背景技術：
乙醇(CH3CH20H)可作為液體燃料使用，例如用其于運行汽車引擎。在當前 的交通和能源系統中，乙醇作為一種液體燃料已有重要的市場。在美國，目前，乙醇產 生主要是使用酵母發酵過程從玉米淀粉產生的。然而，“玉米淀粉酒精生產”過程需要 許多消耗能量的步驟，包括農業玉米作物種植，玉米谷物收獲，玉米籽粒淀粉加工， 從淀粉到糖，再從糖到酒精發酵。獨立研究表明，最近的“玉米淀粉酒精生產”過程 中能源凈增益非常有限。也就是說，“玉米淀粉酒精生產”過程中的能量成本消耗幾乎 與其產品乙醇的能量值一樣。這并不奇怪，可以理解，因為目前的技術可使用的玉米淀 粉，只占玉米作物的生物量(其中包括玉米秸稈，葉子和根部)的一小部分。玉米秸稈 (comstovers)通常被丟棄在農田，它們慢慢被分解為二氧化碳，因為它們主要代表木質纖 維素生物質原料，目前的生物煉制行業不能有效地用玉米秸稈于乙醇生產。歷來有試圖 從木質纖維植物生物質生產乙醇的研究工作，一個概念叫“纖維素乙醇”。然而，植物 生物體已演變為抗拒其微生物和動物攻擊的細胞壁結構糖的有效機制。這就是頑固的木 質素纖維素生物質原料自然屬性的基礎，它為木質素纖維素生物質轉化為可發酵糖造就 嚴重路障。因此，有“木質素纖維素頑固”之稱的問題是對植物生物量轉化為可發酵 糖類的一個大技術壁壘。也就是說，由于這個頑固的問題，木質纖維生物量(如玉米秸 稈，柳枝草(Switehgrass)，和木質材料)不能隨時轉換為可發酵糖類和乙醇，除非使用一 定的預處理，但這常常帶來高處理成本。盡管有超過50年的有關木質纖維素生物質預處 理和發酵加工的研發努力，木質纖維素的頑固問題仍然是一個嚴重的技術障礙，到目前 為止還沒有被功破。此外，木質纖維素生物質種植，收獲，加工預處理，纖維素到糖到 酒精發酵的一切步驟都有許多能量消耗的代價。因此，任何新技術，可以繞過這些生物 技術的瓶頸難題將是有益的。產氧光合細菌藻(Oxyphotobacteria)是能夠以水作為電子源和以二氧化碳 作為碳源的產氧光合自養型原核生物。在自然界中，有兩類產氧光合自養型原核 生物藍藻(例如藍聚藻Synechococcus elongatus, 魚腥藻Anabaena sp., 藍藻 Synechocystis sp.，發菜藻 Nostoc punctiforme,螺旋藻 Spirulina platensis,禾口嗜熱藍聚藻 Thermosynechococcus elongatus)禾口 產氧光合綠細菌藻(Oxychlorobacteria)(例如， 原綠球藻馬里努其j Prochlorococcus marinus，原綠球藻Prochloron didemni，禾口原綠球藻 Prochlorothrix hollandica)。藍藻(cyanobacteria)通常也被稱為“藍綠藻”，而產氧光 合綠細菌藻(Oxychlorobacteria)有時被稱為“其它‘藍藻’，，或被科學地劃分為原綠 藻(Prochlorophytes)，因為它們含有葉綠素_a和葉綠素_b。例如，原綠球藻馬里努斯 MED4(oxychlorobacterium)具有非正統的色素組成，它包括葉綠素_a和葉綠素_b，胡 蘿卜素，玉米黃質二乙烯衍生物，以及藻紅蛋白的類型。相比之下，高度相關藍藻(藍 綠藻)含有葉綠素_a和藻藍素(phycobilins)是更典型的藍藻。不過，藍藻和原綠藻都 可在液體培養基中利用光分解水產生氧氣，和同化二氧化碳。在理論上，通過該光合過 程，從太陽能到生物質的能量轉換效率可達約10%，因此，這些產氧光合原核生物具有 成為一個干凈和可再生能源資源的巨大潛力。但是，野生型產氧光合生物，如野生型藍 藻，不具有從二氧化碳和水直接生產乙醇的能力。野生型光合作用，利用分解水并由類 囊體膜質子梯度耦合的電子輸運過程所產生的還原力還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷 酸，還原型輔酶II (NADPH)和能量三磷酸腺甙，腺三磷(ATP)，通過在細胞質基質中 的一系列酶反應稱為“卡爾文循環”把二氧化碳遠原成碳水化合物。野生型光合作用過 程的最終結果是利用光能按照下列總反應把二氧化碳和水轉化成碳水化合物(CH2O)n和 氧氣O2 nC02+nH20— (CH2O) η+η02 [1] 碳水化合物然后可進一步轉化為各種復雜的細胞物質(生物量)材料，包括蛋 白質，脂肪，糖原，纖維素和其它細胞結構材料。根據目前的科學知識，野生型產氧光合細菌藻(oxyphotobacteria)包括藍 藻[例如聚球藻 79似株(Synechococcus sp.PCC 7942)，發菜藻 7I2O 株(Nostoc sp.PCC 7120)，藍藻 6803 株(Synechocystis sp.PCC 6803)，和嗜熱藍聚藻 BP-1 株 (Thermosynechococcus elongatus BP-I)],禾口原綠藻(oxychlorobacteria)[例如原綠 球藻馬里努斯麻省理工學院9313株(Prochlorococcus marinus MIT 9313),原綠球藻 馬里努斯SS120株(Prochlorococcus marinus SS120)，和原綠球藻馬里努斯MED4株 (Prochlorococcus marinus MED4)]，都不具有直接從二氧化碳和水光合生產乙醇的能力。 產氧光合細菌藻(oxyphotobacteria)的光合作用本性質與真核藻類和高等植物的十分相 似。不過，原核生物(oxyphotobacteria)與真核生物(藻類和高等植物)也有一些顯著差 異。在真核藻類(和高等植物)中，卡爾文循環活動(光合二氧化碳固定過程)發生于一 個組織良好的光合作用的細胞器葉綠體。另一方面，產氧光合細菌藻(oxyphotobacter ia)就沒有細胞器葉綠體，它的卡爾文循環活動發生在細胞質中。此外，由于產氧光合細 菌藻(oxyphotobacteria)是原核生物，沒有細胞核，產氧光合細菌藻的分子遺傳組織和機 構也與真核生物的有所不同。本申請公開了一套創造產乙醇的產氧光合細菌藻(desisgner oxyphotobacteria)的
方法，并提供一套利用其設計產氧光合細菌藻與溫室蒸餾系統從二氧化碳和水生產和收 獲乙醇的具體方法。本發明的集成技術，可以繞過上述生物質能源產業的瓶頸技術難 題，實行光合乙醇生產和溫室蒸餾收獲，并生產淡水和其它副產品。

發明內容
本發明公開了一套利用轉基因的設計光合生物和溫室蒸餾系統從二氧化 碳和水生產乙醇的方法。設計光合生物，包括轉基因的產氧光合細菌藻(designer transgenicoxyphotobacteria),是通過基因工程技術而創造。通過轉基因工程，使設計產 氧光合細菌藻，可把由光合作用中獲得的氧化還原力(NADPH)和能量(ATP)直接用于 從二氧化碳(C02)和水(H2O)合成乙醇(CH3CH20H)。通過一對依賴NADPH與依 賴NAD的甘油三磷酸脫氫酶的設計使用，還提供了一個特殊的可循環使用的穿梭氧化還 原的NADPH/NADH轉換功能，使NADPH能被轉換成NADH，以增強光合乙醇生產。
“NADH”是還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，還原型輔酶I。本發明的乙醇光合生產 與溫室蒸餾相結合的技術具較高的從太陽能到乙醇的能量轉換效率，和多種應用包括從 海水生產淡水。這套光合乙醇生產方法的一個基本特點是通過轉基因而創造設計產氧光合細菌 藻(designer oxyphotobacteria)。其中的核心思想是通過分子遺傳手段，導入一套專一 性酶，作用于寄主(產氧光合細菌藻)的卡爾文循環反應，從而使該循環反應中的一 些中間產物，例如，3-磷酸甘油(3-PGA)，直接轉化為乙醇，而不是其它復雜的生物 材料。因此，除其他外，本發明公開了如何設計創造可產乙醇的產 氧光合細菌藻(des igneroxyphotobacteria)的方法，其中包括轉基因的DNA編碼設計結構，光合作用生產 乙醇的代謝途徑設計，以及設計創建的產氧光合細菌藻(designer oxyphotobacteria)。一 方面，本發明公開了光生物乙醇的生產方法，包括在液體培養基中培養一種設計轉基因 創造的產氧光合細菌藻，例如，設計藍藻(designer cyanobacterium)，其中的藻細胞具有 轉基因可表達一套專一的酶，作用于卡爾文循環反應，從而可使卡爾文循環中的一些中 間產物，轉換成乙醇。根據本發明，可以選用許多種具有光合能力并可以在液體培養基中生長的產 氧光合細菌藻(Oxyphotobacteria)作為寄主生物體，通過設計轉基因來創建可光合產 乙醇的產氧光合細菌藻(Designer oxyphotobacterium)。 在其中的一個實施方案中， 可以作為寄主的首選產氧光合細菌藻品種包括(但不限于)嗜熱藍藻的BP-I株 (Thermosynechococcus elongatus BP-1),發菜藻 7120 株(Nostoc sp.PCC 7120),藍聚藻 6301 株(Synechococcus elongatus PCC 6301),藍藻 7942 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7942)，藍藻 7002 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7002)，藍藻 6803 株(Syncechocystis sp.strain PCC 6803)，原綠球藻馬里努斯 MED4 株(Prochlorococcusmarinus MED4)，原綠 球藻馬里努斯海峽麻省理工學院的9313株(Prochlorococcusmarinus str.MIT 9313)，原綠 球藻馬里努斯海峽 NATLlA 株(Prochlorococcus marinusstr.NATLlA)，原綠球藻 SS120 株 (Prochlorococcus SS120),螺方寵藻(頂螺方寵藻)(Spirulina platensis (Arthrospira platensis))， 螺旋藻中白西菲卡(SpirulinaPacifica)，藍藻(Lyngbya majuscule)，魚腥藻(Anabaena sp.)，藍藻(Synechocystissp.)，藍藻拉長(Synechococcus elongates)，藍藻 MC-A 株 (Synechococcus (MC-A)),束毛藻(Trichodesmium sp.)，藍藻(Richelia intracellularis)， 藍藻 WH7803 株(Synechococcus WH7803)，藍藻 WH8102 株(Synechococcus WH8102)， 發菜藻(Nostocpunctiforme)， 藍藻 7943 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7943), 藻藍 6714 藻藍蛋白缺失的突變體 PD 1 (Synechocyitis PCC 6714phycocyanin-deficientmutantPD-1)，藍藻 51142 株(Cyanothece strain 51142)，藍藻 CCYO110 株(Cyanothece sp.CCYOl 10)，顫禾丨J 莫薩藍藻(Oscillatoria limosa)，藍藻(Lyngbya majuscula)，藍藻 (Symploca muscoram),桿菌菜藻(Gloeobacter violaceus)，原綠藻(Prochlorondidemni), 原綠藻(Prochlorothrix hollandica),原綠球藻馬里努其j (Prochlorococcusmarinus),聚藍 藻(Synechococcus bigranulatus)，嗜冷亶員藻(cryophilicOscillatoria sp.)，藍藻(Phormidium sp.)，發菜新種-1 (Nostoc sp.—l)，藍藻(Calothrix parietina)，嗜熱聚藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus)， 藍藻(Synechococcus lividus)， 嗜熱藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus),藍藻 6912 株(Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912),聚藍藻 (Synechococcus vulcanus)，聚球藻菌株 MA4 (Synechococcus sp.strain MA4),聚球藻菌株 MA19 (Synechococcus sp.strain MA19),禾口嗜熱藍藻(Thermosynechococcus elongatus)。 較高的寄主(產氧光合細菌藻)對乙醇的耐受性能，通常可轉化為一個更有效的 乙醇生產技術。本發明的各種體現之一，是在厭氧的和一定的乙醇濃度存在的條件下， 通過使用一個特別設計的雙或/和多反應器流檢測系統從各種光合生物篩選對酒精具有 高耐受性的寄主(產氧光合細菌藻)。這特別設計的反應器流檢測系統，可用于同時測 量光合作用速率，二氧化碳(C02)的固定效率，乙醇的生產效率，酸堿度pH值，氧氣 (02)和氫氣(H2)的釋放速率，細胞密度，和光的強度。篩選過程包括以下步驟一)在 乙醇濃度范圍從0%到20%的存在下，或/和在某些特殊環境條件包括(但不限于)熱， 寒，或/和鹽度的存在下，測量生物體的光合作用速率；二)繪制每種光合生物的光合作 用速率與其測試液中的乙醇酒精濃度的曲線；和三)通過分析比較其光合作用速率與乙 醇濃度的測試曲線，確定其對的乙醇耐受性能。在創建產氧光合細菌藻(oxyphotobacterial)生產乙醇的代謝途徑設計中，對酶的 使用，選擇取決于設計從那個卡爾文循環反應(Calvin cycle)的中間產物分叉(枝/支) 來建立這一產乙醇途徑。在其中的一個實施方案中，其中的一條乙醇生產的代謝設計途 徑(designer pathway)用了卡爾文循環反應的甘油三磷酸(glyceraldehydes—3-phosphate)作 為分叉的關點，并將其轉換成乙醇。例如，這從甘油三磷酸分叉(枝/支)的乙醇生產 的代謝途徑，是由下列所選的一套酶組成依賴NAD的甘油三磷酸脫氫酶，磷酸甘油酸 激酶，磷酸甘油酸變位酶，烯醇酶，丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，和乙醇脫氫酶。在此 乙醇生產代謝設計途徑中，當一個甘油三磷酸分子轉化為乙醇，就有一個輔酶NADH分 子由NAD+(氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，簡稱氧化型輔酶I)還原產生于，由依賴 NAD的甘油-3-磷酸脫氫酶酶所催化的，從甘油三磷酸(glyceraldehyde-3-phosphate)到 1，3-二磷酸甘油酸(1，3-diphosphoglycerate)的步驟；同時，有一個輔酶NADH分子在 由乙醇脫氫酶催化的從乙醛到乙醇終端步驟，被轉換為NAD+分子。也就是說，NADH 分子的生成數與消耗數相平衡。因此，這種乙醇生產的設計途徑可以連續工作。在另一個實施方案中，其中的一條乙醇生產設計途徑(designer pathway)是從卡 爾文循環反應的3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate)分叉建立而來。例如，這條從3-磷 酸甘油酸分叉的乙醇生產代謝途徑，是由下列所選的一套酶組成磷酸甘油酸變位酶， 烯醇酶，丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，和乙醇脫氫酶。為這條乙醇生產代謝途經的正常 工作，其中的乙醇脫氫酶必須能使用可以由光驅動的電子傳輸過程中產生的NADPH。因 此，為這條特定乙醇生產設計途徑，一個首選做法是選擇使用一個能夠用NADPH的或者NADPH和NADH(即NAD(P)H)的乙醇脫氫酶。另外，如果使用了只能夠用NADH的
乙醇脫氫酶，那么這里最好使用一個可在寄主細胞質工作的NADPH/NADH轉換機制， 以便更好地通過這設計途徑光合產乙醇。在還有一個實施方案中，其中的一條產氧光合細菌藻乙醇生產代謝設計途徑 (designer pathway),是從果糖 1，6 二磷酸果糖(fructose-l，6-diphosphate)分叉建立而
來。例如，這條從果糖1，6 二磷酸果糖分叉(枝)的乙醇生產代謝途徑，是由下列所 選的一套酶組成果糖二磷酸醛縮酶，丙糖磷酸異構酶，甘油三磷酸脫氫酶，磷酸甘油 酸激酶，磷酸甘油酸變位酶，烯醇酶，丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，和乙醇脫氫酶。在 另一個實施方案中，其中的一條產氧光合細菌藻乙醇生產代謝設計途徑是從果糖-6-磷 酸(fructose-6-phosphate)分叉建立而來。例如，這條從果糖-6-磷酸分叉的乙醇生產 代謝途徑，是由下列所選的一套酶組成磷酸果糖激酶，果糖二磷酸醛縮酶，丙糖磷酸 異構酶，甘油三磷酸脫氫酶，磷酸甘油酸激酶，磷酸甘油酸變位酶，烯醇酶，丙酮酸激 酶，丙酮酸脫羧酶和乙醇脫氫酶。可以指出，某些酶的設計系列可允許形成兩條或多條 的乙醇生產設計途徑，即形成兩條或多條從卡爾文循環兩點或多點分支的乙醇生產代謝 途徑。在進一步的更多實施方案中，其中的一條產氧光合細菌藻乙醇生產代謝設計 途徑的表達，是通過使用一種外部可誘導的啟動子來調控的，它使設計產氧光合細菌 藻的轉基因能在某些特定條件下，可誘導地表達。在一個實施例中，其中的一條可誘 導來控制產氧光合細菌藻乙醇生產設計途徑的基因表達的啟動子是一種可誘導的厭氧 啟動子；其中包括例如，亞硝酸鹽還原酶基因啟動子(nitrite-reductase-gene (nirA) promoters)，雙向氧酶基因啟動子(bidirectional-hydrogenase-gene hoxpromoters)，光-熱 響應的啟動子(light-and heat-responsive groE promoters)，核酮糖二磷酸羧化酶/氧化 酶基因操縱子的啟動子(Rubisco-operon rbcL promoters)，金屬(鋅)可誘導的啟動 子(metal (zinc) -inducible smt promoter),鐵反應可誘導的啟動子(iron-responsive idiA promoter)，氧化還原反應可誘導的crhR啟動子(redox-responsive crhR promoter)，熱休克 基因啟云力子(heat-shock-gene hsp 16promoter),小熱休克蛋白的啟云力子(small heat-shock protein (Hsp) promoter), 二氧化碳反應的終酸酐酶基因啟云力子(C02_responsive carboni c-anhydrase-genepromoters，)，綠色 / 紅色光口向應的啟動子(green/red light responsive cpcB2A2promoter)，紫夕卜線光口向應的啟動子(UV-light responsive IexA, recA and ruvBpromoters, )， 肖酸還原酶基因啟動子(nitrate-reductase_gene(narB)promoters)，禾口 它們的組合。在本發明的另一個方面，其中的一條產氧光合細菌藻乙醇生產途徑基因DNA設 計結構，包含一個或多個核苷酸編碼序列，以表達一種或多種乙醇生產設計途徑的酶， 其中每個乙醇生產途徑基因都與一個可聯動操作的誘導啟動子放置在一起。該基因設計 結構也可包含其他適當的核苷酸序列，例如一個選擇標記基因，以便篩選和鑒定基因轉 化技術的效果。使用現有的基因轉化技術，如電穿孔，基因槍，聚乙二醇誘導吸收，共 軛配對和自然DNA吸收轉化，可把含有設計轉基因的核酸設計結構送入寄主產氧光合細 菌藻(host oxyphotobacteria)體內使寄主被轉化。設計產氧光合細菌藻(designer oxyphotobacteria)包括設計藍藻(designercyanobacteria)禾口設計原綠藻(designer oxychlorobacteria),包含一個或多個倉 1J建
的轉基因核酸設計結構，形成本發明的另一個體現。在另一個方面，本發明提供了額外 增強光合乙醇生產的方法，及相關的核酸設計結構和設計產氧光合細菌藻。在另一實施例中，對一種光合產乙醇的產氧光合細菌藻，如上所述，作了進一 步修改，以使它包含更多的設計轉基因來可誘導地表達一種或多種的酶來促進NADPH/ NADH的轉換，例如，NADPH氧化磷酸酶和NAD激酶。更重要的是，在光合乙醇生 產途徑設計中，使用了一對依賴NADPH與NAD的甘油三磷酸脫氫酶，它們的使用賦予 了一種可循環應用的(tnmshydrogenase)穿梭氧化還原的NADPH//NADH轉換功能，使 NADPH能被轉換成NADH，以增強光合生物乙醇生產。另外，也可以選擇和修改酒精脫 氫酶，以便它可以直接使用NADPH生產乙醇。在另一實施例中，一種產乙醇的產氧光合細菌藻得到了進一步修改，以抑制其 糖原合成活動。在一個具體體現中，這種進一步的修改包括導入一個DNA設計構造，使 它能可誘導地表達一種干擾核糖核酸GRNA)分子，專門用來抑制糖原合成酶，例如糖 原合成酶，葡萄糖-ι-磷酸腺苷酸轉移酶，和/或葡萄糖磷酸變位酶的合成途徑，從而增 強光生物乙醇生產效率。在還有一個實施例中，一種產乙醇的產氧光合細菌藻得到了進一步的改良，以 包含附加的設計基因組，以促進在細胞質中的糖原(淀粉)化解和糖酵解。這種額外的 設計基因，包括例如基因編碼可表達淀粉酶，4-α-糖原轉移酶，糖原磷酸化酶，葡 萄糖激酶，磷酸葡萄糖變位酶，和葡萄糖_6磷酸異構酶。本發明還公開了一個使用設計產氧光合細菌藻和光生物反應器系統相結合的從 二氧化碳和水直接利用太陽光生產，分離，和收獲乙醇的過程。工業二氧化碳源和/或 環境中大氣二氧化碳都可用于本設計產氧光合細菌藻的乙醇生產過程。 本發明還公開了一個使用一種特殊的太陽能溫室蒸餾與設計光合生物相結合的 生產和收獲乙醇的綜合技術。設計光合生物，如轉基因設計產氧光合細菌藻，設計轉基 因藻類，或轉基因植物細胞，它可以使用在光合作用過程中所得的還原力(NADPH)和能 量(ATP)利用二氧化碳(C02)和水(Η20)合成乙醇(CH3CH20H)。集成的太陽能溫 室蒸餾系統包括一系列蒸餾溫室串聯和/或并聯在一起形成溫室蒸餾系統，以利用太陽 能，培養設計光合生物，生產光合乙醇，并同時作溫室蒸餾采集所產乙醇。其中，陽光 被用來驅動光生物乙醇的生產，并同時，在培養基中產生熱量。在培養基中的太陽能熱 被用于蒸發所產的乙醇(和水)，以供溫室蒸餾收獲。因此，本光生物乙醇的生產和收 獲方法的基本特點是，利用太陽能來驅動光合作用，又帶動溫室蒸餾系統來采集所產之 乙醇，這樣就提高了太陽能利用效率，以最低的成本，實現光合生產和蒸餾收獲乙醇和 /或生產淡水。在各種體現之一，蒸餾溫室包括一個傾斜蒸汽冷凝透明天花板，一個密 封的溫室光合生物乙醇生產培養反應器，一系列冷凝液收集管位于溫室墻上的周圍以收 集來自天花板的冷凝液，以及尾氣冷凝和通風裝置。由于陽光駕駛光合作用并在光生物 液體培養基產生大量的熱，該太陽熱能即可用來從液體培養基蒸發相關的產品乙醇(與 水)。富含乙醇的水汽然后凝結到溫度較低的透明的傾斜天花板上，因為天花板是由外部 的較冷空氣，風，和熱紅外線對太空的輻射而冷卻。蒸氣冷凝用的透明天花板也可以靈 活地運行冷水通過天花板水室系統使之冷卻。根據天花板材料表面性質的不同而要求有所不同，天花板傾斜角α應至少高于5度，最好是15-30度，最好在所有的天花板內表 面，其傾斜角α在30-70度以上，以便使冷凝液滴滑動進入位于溫室墻上周圍的冷凝液 收集管，而不是自由下落掉回到天花板下面培養基中去。這樣，當蒸汽凝結后，由于表 面張力和地球重力的相互作用，凝結的液滴可以沿著傾斜天花板表面滑動，最后滑到溫 室的墻上并進入收集管。所收集的冷凝液內含較豐富的乙醇，可通過一輸液管逾隨重力 進入儲罐，或進入下一個蒸餾蒸室，進行蒸餾再蒸餾和再冷凝收集的系列過程，直至蒸 餾餾分的酒精濃度達到所需的最終高度。根據不同的實施例中，尾氣冷凝和通風裝置由一在冷水沐浴室之中的尾氣冷凝 盤管，氣體凝析室，和一個垂直排氣管組成。在行動中，尾氣冷凝盤管，氣冷凝室，和 垂直通風管都被貫穿在冷水澡室之中的冷水而卻冷，以便使尾氣中的蒸氣會沿冷凝線管 圈與相連的氣凝析室而冷凝，然后通過垂直排氣管排氣。 在另一個實施方案中，從尾氣冷凝和排氣系統，可收集冷凝液(含乙醇和水)。 因此，利用該過程也可從尾氣，通過一個或多個尾氣冷凝和排氣裝置的串聯或并聯運 行，來收獲乙醇和淡水產品。在另一實施例中，蒸餾溫室包括光合生物培養反應器和相連接的一系列管 子，可調控進道，可調控出道，和/或一系列擋板，以引導液體培養基流動，增強光合 生物乙醇生產和收獲。在另一實施例中，蒸餾溫室包括一個水室透明天花板傾斜，可以通過運行至天 花板水室的冷水，以提高光合生物反應器溫室蒸餾冷卻過程效果。使用水冷卻吊頂系統 也可調控蒸餾溫室的內溫度使之不僅適合于嗜熱光合生物的培養生長和溫室乙醇蒸餾收 獲，也可適合于溫帶光合生物的培養生長和使用。在另一個實施例中，蒸餾溫室包括一層光合生物培養反應器室和一層在此之上 的啤酒蒸餾室。在上的蒸餾室與在下的生物反應器室由透明防滲板和/或薄膜(或膜)分 開隔離，只允許陽光通過。陽光驅動光合作用并在光合生物反應器細胞培養室產生大量 的熱量。該太陽廢熱即用于在生物培養反應室之上的蒸餾室蒸發含有乙醇的啤酒液體。 蒸氣，然后到天花板表面被冷卻凝結。蒸餾室最好是隔離式的，這樣在一個蒸餾艙室的 蒸汽與其他蒸餾廂分離，而只有那些啤酒液體可以逐漸流動從一個蒸餾廂在串聯的管口 引導下，通過隔板，可調節進出水管口，或通道和墻孔(孔口沉浸在啤酒液中)流到下一 部蒸餾廂。當啤酒液體通過一系列蒸餾廂時，其酒精含量會通過蒸餾被除去。根據不 同的需要和加工條件，任何數目的一系列蒸餾室間(如2，3，4，5，6，7，8，9，10， 11，12，等)可以串聯使用。因此，當啤酒液通過一系列蒸餾室時，在啤酒液中乙醇含 量可以降低到最低水平，以致使從最后的再蒸餾室出來的殘余液基本上成為淡水，可用 于再制造液體培養基，或作其他用途的副產品。在還有一個實施例中，光合生物乙醇生產和太陽能熱驅動溫室蒸餾系統包括一 個有頂空間的光生物培養反應器室和一個氧氣體收集系統，以及在生物反應器室上層的 蒸餾室。光生物培養反應器室的有頂空間可放便氣體交換，例如可用來喂送二氧化碳和 靈活地收獲或排放氧氣。包括工業二氧化碳和/或環境中大氣二氧化碳可通過生物反應 器管道喂用于產氧光合生物的乙醇生產過程。氧氣氣體收集系統包括一個氧氣分離膜系 統，氧氣泵，和一個氧氣儲罐。使用本氧氣收集系統可以從頂空間的氣體連接系統靈活地收獲從光合生物反應器生產的氧氣。根據本發明的許多實施例之一，任何數目的蒸餾溫室(如1，2，3，4，5，6， 7，8，9，10，11，12，等)可以用串聯和/或平行進行。隨著再重蒸餾的增加，蒸餾餾 分的酒精濃度可增高。通過多重溫室蒸餾，最高的乙醇濃度可達96%的乙醇，這是足夠 高的酒精質量，它可直接作為燃料運行乙醇燃料驅動的和/或靈活燃料驅動的車輛。因 此，這種工藝技術的設計以高效率和最大限度地利用太陽能(包括它的可見光和紅外輻 射)，從二氧化碳和水產生乙醇，同時通過溫室蒸餾，以最少的成本，收獲生物能源產品 乙醇。除了光生物乙醇的生產和收獲，使用該技術還可生產淡水，氧氣，和大量光合細 菌藻生物質材料作為副產品。比現有技術，本發明的光合生物乙醇生產和收獲技術可望 有較高的從太陽能到乙醇的能量轉換效率，也能有助于保護地球環境，防止二氧化碳在 大氣中的危險積聚。


圖1展示產氧光合細菌藻乙醇生產代謝設計途徑，它與卡爾文循環一起工作， 使用光合分解水和質子梯度耦合的電子輸運過程所產的還原力(NADPH)和能量(ATP)， 在藍藻細胞質把二氧化碳(C02)還原合成為乙醇(CH3CH20H)。圖2A展示產氧光合細菌藻乙醇生產途徑基因DNA設計構造。圖2B展示產氧光合細菌藻乙醇生產途徑基因DNA具有兩重組位點的設計構 造。圖2C展示可轉換NADPH/NADH的基因DNA設計構造。 圖2D展示可抑制糖原合成酶的DNA設計構造。圖2E展示糖原合成酶的干擾核糖核酸的DNA設計構造。圖2F展示糖原降解_糖酵解基因的DNA設計構造。圖3展示產氧光合細菌藻細胞表達設計的基因以從二氧化碳(C02)和水(H20) 生產乙醇(CH3CH20H)。圖4A展示綜合的光生物乙醇生產和太陽熱驅動蒸餾系統包括多個溫室和多級蒸 餾組件的前視圖。圖4B展示集成的光生物乙醇生產和太陽熱驅動蒸餾系統包括多個溫室和多級蒸 餾組件。圖5A展示光生物乙醇生產與利用太陽廢熱蒸餾反應器的溫室蒸餾系統收獲乙醇 的例子。圖5B展示尾氣冷凝和排氣裝置包括冷水浴冷卻尾氣冷凝盤管，蒸氣冷凝室和垂
直排氣管。圖5C展示光生物反應器和太陽熱驅動溫室蒸餾收獲乙醇，并使用水室天花板系 統與溫室耦合的例子。圖5D展示光生物乙醇生產和太陽熱驅動溫室蒸餾系統，它包括一個光生物培養 反應器室和一個在其上層的蒸餾啤酒的蒸餾室的例子。圖6展示綜合的光生物乙醇生產和多個多級串聯和并聯運行的太陽熱驅動溫室 蒸餾系統的例子。
圖7展示光生物乙醇生產和收獲的溫室蒸餾工藝過程。圖8顯示利用硝酸鹽誘導設計光生物和溫室蒸餾產收乙醇的工藝過程。\
具體實施方式
本發明是針對一系列基于設計產氧光合細菌藻和溫室蒸餾的乙醇生產和收獲技 術。設計產氧光合細菌藻技術是使用基因工程技術，馴服其光合作用調節機制，從而使 在分解水的光合和質子梯度耦合的電子輸運過程中獲得的還原力(NADPH)和能量(ATP) 可立即用于，從二氧化碳(C02)和水(H20)按下列總反應式合成乙醇(CH3CH20H)2C02+3H20 — CH3CH20H+302 [2]本發明的方法，繞過了生物能源“木質素纖維素頑固”的技術瓶頸難題，實 行直接利用太陽能作光合乙醇生產和溫室蒸餾收獲，并生產淡水和其它副產品。如圖 1所示，設計藍藻的光生物過程有效使用光合分解水和質子梯度耦合的電子輸運過程所 得的還原力(NADPH)和能量(ATP)立即用于從二氧化碳(C02)和水(H20)合成乙醇 (CH3CH20H)，而不是流入其它不理想的代謝途徑產生很難為生物煉制行業有效利用的 木質素纖維素材料。這方法與目前的“玉米淀粉酒精生產”過程有很大的不同。根據 本發明的許多實施例之一，乙醇將從二氧化碳(C02)和水(H20)直接生產而來，再不必 通過玉米淀粉乙醇生產要經過的許多能耗步驟，包括玉米作物栽培，玉米籽粒的收獲， 玉米粒加工制淀粉，從淀粉到糖和最后到酒精的發酵。此外，通過設計光合生物和溫室 蒸餾系統相結合的綜合過程，在光生物乙醇生產過程中產生的太陽廢熱也被同時有效地 應用于乙醇生產收獲。因此，本發明的光生物乙醇生產和收獲技術，預計將比現有技術 有更高(超過10倍)的從太陽能到乙醇的的能量轉換效率。假設光生物乙醇生產過程的 太陽能轉換效率為10%，那么最大理論生產率(產量)將可達到每年每英畝88,700公斤 乙醇，這足夠可供約140輛汽車的燃料之需(每英畝年)。因此，本發明可帶來顯著的功 效，幫助社會確保能源安全。它也可能有助于保護地球環境和防止大氣中的二氧化碳危 險的積聚，因為本發明方法能直接將二氧化碳轉換成清潔能源乙醇，并同時通過溫室蒸 餾利用相關的太陽能余熱。本發明方法的另一個基本特點是利用產氧光合細菌藻(如藍藻)作為一種寄主生 物體，而導入轉基因核糖核酸編碼分子，它可表達一組酶來作用于卡爾文循環的中間產 物并將其轉化成產品乙醇，如圖1所示，而不是象野生型光合途徑那樣產生糖原和其他 復雜的細胞(生物質)材料作為其最終產品。這就是說，本發明其中的一種核心思想是， 通過分子遺傳手段導入一套專一性酶，作用于卡爾文循環反應，從而使該循環中的一些 中間產物，例如，3-磷酸甘油酸(3-PGA)直接轉化為酒精之類的生物燃料。因為支撐卡 爾文循環的NADPH和ATP來自水光解和質子偶聯的電子運輸過程，其最終結果是使二氧 化碳(CO2)和水(H2O)轉化為酒精(CH3CH2OH)和氧氣(O2)。因此，本發明公開了， 特別的設計產氧光合細菌藻乙醇生產的方法，產氧光合細菌藻乙醇生產途徑的基因DNA 編碼結構設計，以及創建的設計產氧光合細菌藻。本發明的各個方面進一步詳細描述于 下文。寄主產氧光合細菌藻根據本發明的許多實施例之一，光合產乙醇的設計產氧光合細菌藻(designeroxyphotobacterium)可以從許多種產氧光合細菌藻包括藍藻和原綠藻作為寄主生 物體通過分子遺傳工程而創建；只要該寄主具有產氧光合能力，即一個活躍的光合機構 和其酶催化途徑，可通過光合作用捕獲光能，利用其能量把無機物質(水和二氧化碳)轉 化為有機物質。在其中的一個實施方案中，適宜作為寄主生物的藍藻(Cyanobacteria ； Cyanophyta)屬包括(但不限于)藻(Phoridium)屬，藻(Synechocystis)屬，藍藻 (Syncechococcus)屬，顫藻(Oscillatoria)屬，和魚腥藻(Anabaena)屬。適宜的原綠 藻(Oxychlorobacteria ； Prochlorophytes)屬包括(但不限于)原綠藻(Prochloron)屬, 原綠藻(Prochlorothrix)屬，和原綠球藻(Prochlorococcus)屬。在本發明使用首選 的產氧光合細菌藻(oxyphotobacteria)品種包括(但不限于)嗜熱藍藻的BP-I株 (Thermosynechococcus elongatus BP-1),發菜藻 7120 株(Nostoc sp.PCC 7120),藍聚藻 6301 株(Synechococcus elongatus PCC 6301),藍藻 7942 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7942)，藍藻 7002 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7002)，藍藻 6803 株(Syncechocystis sp.strain PCC 6803)，原綠球藻馬里努斯 MED4 株(Prochlorococcusmarinus MED4)，原綠 球藻馬里努斯海峽麻省理工學院的9313株(Prochlorococcusmarinus str.MIT 9313)，原綠 球藻馬里努斯海峽 NATLlA 株(Prochlorococcus marinusstr.NATLlA)，原綠球藻 SS120 株 (Prochlorococcus SS120),螺方寵藻(頂螺方寵藻)(Spirulina platensis (Arthrospira platensis))， 螺旋藻中白西菲卡(SpirulinaPacifica)，藍藻(Lyngbya majuscule)，魚腥藻(Anabaena sp.)，藍藻(Synechocystissp.)，藍藻拉長(Synechococcus elongates)，藍藻 MC-A 株 (Synechococcus (MC-A)),束毛藻(Trichodesmium sp.)，藍藻(Richelia intracellularis)， 藍藻 WH7803 株(Synechococcus WH7803)，藍藻 WH8102 株(Synechococcus WH8102)， 發菜藻(Nostocpunctiforme)， 藍藻 7943 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7943), 藻藍 6714 藻藍蛋白缺失的突變體 PD 1 (Synechocyitis PCC 6714phycocyanin-deficient mutantPD-1)，藍藻 51142 株(Cyanothece strain 51142)，藍藻 CCYOl 10 株(Cyanothece sp.CCYOl 10)，顫禾0 莫薩藍藻(Oscillatoria limosa)，藍藻(Lyngbya majuscula)，藍藻 (Symploca muscorum),桿菌菜藻(Gloeobacter violaceus)，原綠藻(Prochlorondidemni), 原綠藻(Prochlorothrix hollandica),原綠球藻馬里努其j (Prochlorococcusmarinus),聚藍 藻(Synechococcus bigranulatus)，嗜冷亶員藻(cryophilicOscillatoria sp.)，藍藻 (Phormidium sp.)，發菜新種 _1 (Nostoc sp._l)，藍藻(Calothrix parietina)，嗜熱聚藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus)， 藍藻(Synechococcus lividus)， 嗜熱藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus),藍藻 6912 株(Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912),聚藍藻 (Synechococcus vulcanus)，聚球藻菌株 MA4 (Synechococcus sp.strain MA4),聚球藻菌株 MA19 (Synechococcus sp.strain MA19),禾口嗜熱藍藻(Thermosynechococcus elongatus)。產氧光合細菌藻可以培養在液體介質中。從水生的產氧光合細菌藻產生的乙醇 可擴散到允足的水中去，這樣細胞內的乙醇濃度不致太高，以便細胞能保持正常的生長 和穩固的乙醇生產。因為所產生的乙醇可容易地從細胞擴散出來到液態水的介質中去， 這可使產品乙醇儲存于液體培養基中，可然后通過過濾和/或蒸餾技術來收獲產品乙 醇，所以最好，使用液體培養基來培養產氧光合細菌藻生產乙醇。所謂的“液體介質”是指液態的水加相對少量的無機營養鹽(如氮，磷，鉀等，常用于它們的鹽形式)用于光合自養培養；有時候，也包括某些有機基質(如蔗糖， 葡萄糖，或醋酸)用于光合自-異雜養和/或光合異養培養。使用的產氧光合細菌藻有 幾個優勢。它們可以用低成本在開放的池塘大量培養生長。同時，也可比較容易地通過 蒸餾或膜分離從水液相收獲和凈化乙醇。對乙醇具高耐受性的光合生物體在乙醇生產中是非常有利可取的，因為較高的 對乙醇耐受性常可轉換為一個更高效的乙醇生產技術。因此，本發明的各種體現之一， 是在厭氧的和一定的乙醇濃度存在的條件下，通過使用一個特別設計的雙或/和多反應 器流檢測系統從各種光合生物篩選對酒精具有高耐受性的寄主(產氧光合細菌藻)。這 特別設計的反應器流檢測系統，可用于同時測量光合作用速率，二氧化碳(C02)的固定 效率，乙醇的生產效率，酸堿度pH值，氧氣(02)和氫氣(H2)的釋放速率，細胞密度， 和光的強度。篩選過程包括以下步驟一)在乙醇濃度范圍從0%到20%的存在下，或 /和在某些特殊環境條件包括(但不限于)熱，寒，或/和鹽度的存在下，測量生物體的 光合作用速率；二)繪制每種光合生物的光合作用速率與其測試液中的乙醇酒精濃度的 曲線；和三)通過分析比較其光合作用速率與乙醇濃度的測試曲線，確定其對的乙醇耐 受性能。根據本發明的許多實施例之一，以適應某些特定的條件，可以對本篩選過程的 任何步驟(一至三)進行適當的調整。在實踐中，可靈活地使用這個篩選過程的全部或 部分步驟(一至三)，或經調整過的步驟組合，以取得更理想的結果。例如，在其中的一 個實施方案中，測量生物光合作用速率的步驟最好是在厭氧條件下進行，以避免因為有 氧呼吸消耗乙醇而造成假性對乙醇的耐受力。在厭氧條件下，生物體對乙醇的氧化消耗 最小。這將有助于避免造成假性乙醇耐受力，提高對真實乙醇耐性能的篩選，有助于光 生物乙醇生產技術的發展。 根據不同的實施例之一，對乙醇和環境壓力(如熱，冷，鹽度)具有耐受性能的 光合生物可以從包括藍藻和原綠藻的有許多產氧光合生物中篩選而來。所選的寄主生物 體應該有較高的產氧光合能力，也就是說，須具備光合機構和酶途徑，可通過光合作用 捕獲光能，利用其能量把無機物質(水和二氧化碳)轉化為有機物質。最好，光合生物 應該有足夠的光合作用C02固定效率，例如，可支持從二氧化碳和水，光合生產乙醇， 每年每公頃至少約1780公斤乙醇，優選者每年每公頃8870公斤乙醇，更優選者每年每公 頃88700公斤乙醇。許多光合生物，例如產氧光合細菌藻，可以培養在液體介質中，通常是液體水 加相對少量的無機營養鹽(如氮，磷，鉀等，常用于它們的鹽形式)用于光合自養培養 生長。根據不同的實施例之一，它們的乙醇耐受性和對其它的環境壓力(包括但不限于 熱，冷和鹽度)之抗性，可在液體培養基中存在一定乙醇濃度的，或在不同溫度和鹽度 條件下，通過測量光合作用的速率，例如，對二氧化碳的固定和/或光合產生氧氣的測 定來確定。使用一個雙重和/或多反應器檢測系統可以方便地同步測量多個相關參數， 包括測量二氧化碳的固定，乙醇生產，酸堿度pH值，氧氣和氫氣的產生，細胞密度，和 光強度。使用雙(或多)重反應器檢測系統的優勢是，它可在相同的條件下同時檢測兩 個或多個不同的樣品。通過樣品交體轉換的雙反應器檢測系統重復實驗，雙反應器系統 的系統誤差可以被消除。因此，這種雙反應器流系統類型的實驗使用可為篩選乙醇耐受 性和/或對其環境因子的抗性進行可靠的測量。在通常情況下，在反應器中，在載流氣體中的氧氣濃度應低于lOOppmv，這樣就不會有顯著的酒精呼吸消耗的發生。因此，在 存在一定濃度的乙醇的厭氧條件下，所測得的光合作用速率將反映該光生物生體的真正 酒精耐受性與相關的光生物乙醇生產潛力。有關光生物對其它環境壓力(如熱，冷和鹽 度)的耐受性能，也可以用類似的方法進行測量和篩選。根據不同的實施例之一，對乙醇具有耐受性的光合生物可以通過開發和篩選突 (誘)變的過程而獲得，這過程包括以下步驟a)光合生物誘變；b)在一個關鍵的酒精 濃度存在下篩選光合生物誘變體；c)培養入選的誘變體，使致生長菌株作進一步篩選； d)把選擇的菌株作液體培養；e)在一系例乙醇濃度范圍從到20%乙醇的存在下，和 /或在其它環境壓力(如熱，冷，和鹽度)的存在下，通過測量光合作用速率作進一步的 篩選；和f)重復從a)到e)的各步驟，作為一個多元化的操作運行周期，以取得更理想 的結果。在實踐中，重復從a)到e)的各步驟，可根據具體情況全部或部分使用，和/或 以任何調整組合的方式是使用，以取得更理想的結果。在各種體現之一，例如，對光合 生物誘變第一步a)是進行了一系列的誘變技術，如輻射誘變，插入突變和化學誘變，已 知于這些領域的技術人員。篩選步驟b)最好在厭氧條件下，使用一個關鍵的酒精濃度的 存在下，進行光合生物誘變體的篩選，以避免因為有氧呼吸消耗乙醇而得出假性乙醇耐 受力的結果。篩選具有耐受性的光合生物與選擇適當的遺傳背景和某些特殊功能相結合， 也是有利的。例如，從嗜冷產氧光合細菌藻，如，嗜冷的顫藻(Oscillatoria sp.)， 嗜冷的藻(Phormidium sp.)，嗜冷的發菜藻新種_1菌株(Nostoc sp.-l)，和嗜冷的藻 (Calothrixparietina),作為寄主而轉基因創建的產乙醇的嗜冷產氧光合細菌藻，能在雪和 冰上生長，它們的應用使光合乙醇生產即使在寒冷的季節或地區，包括加拿大，也能進 行。同時，從嗜熱產氧光合細菌藻，如，嗜熱藍藻(Synechococcus bigranulatus)， 和嗜熱藍藻(Synechococcus lividus)(可在溫泉，強烈的陽光，高溫下生長)，嗜熱藻 (Mastigocladus laminosus)，嗜熱藻69I2 株(Chlorogloeopsis fritsch ii PCC 6912)，嗜熱藍藻 (Synechococcus vulcanus)，嗜熱聚球藻 MA4 株(Synechococcus sp.strainMA4),嗜熱聚球 藻 MA19 株(Synechococcus sp.strain MA19),禾口嗜熱藍藻 BP-I 株(Thermosynechococcus elongatus BP-1),作為寄主而轉基因創建的產乙醇的嗜熱產氧光合細菌藻，它們的應用 使光合乙醇生產，可延伸到炎熱的季節或地區諸如墨西哥和美國的西南地區，包括內華 達州，加利福尼亞州，亞利桑那州，新墨西哥州和得克薩斯州，那里的天氣通常很熱。此外，從海洋來的產氧光合細菌藻，如，藻紅蛋白含海洋聚球藻株 (Synechococcus sp.strains) (也稱為聚球藻Synechococcus (MC-A))，非異形固氮束 毛藻(Trichodesmiumsp.)，含異形海藻(Richelia intracellulariis)，原綠球藻馬里努斯 (Prochlorococcusmarinus)，原綠球藻 SSl2O 株(Prochlorococcus SS120)，海藍藻 WH8IO2 株(Synechococcus WH8102),海藻(Lyngbya majuscule)，禾口海藻(Symplocamuscoram), 作為寄主而轉基因創建的海水產乙醇的產氧光合細菌藻，它們的應用使光合乙醇生產能 利用海水。而從淡水來的產氧光合細菌藻，如，淡水藍藻6301株(Synechococcus sp.strainPCC6301)，淡水藍藻(Synechococcus elongatus)，淡水藍藻 6803株(Synechocystis sp.strain PCC 6803)，淡水藍藻(Nodularia spumigena)， 同綠微囊藻(Anabaenaflosaquae) 和魚腥藻(Microcystis aeruginosa)，作為寄主而轉基因創建的淡水產乙醇的產氧光合細菌
藻，它們的應用使光合乙醇生產可以使用淡水。產乙醇的氧光合細菌藻的附加可選功能，包括已被證明的通過縮小葉綠素天線 尺寸提高光合生產的效益[Lee，Mets, and Greenbaum (2002). “光合效率高光強度改善通 過葉綠素天線尺寸減少，” AppliedBiochemistry and Biotechnology，98 100 37-48],禾口
對乙醇的耐受性，使更有效地從二氧化碳和水產乙醇。在用減少了捕光色素的集胞藻突 變體6714株(Synechocystis PCC 6714)的實驗中，已證明藻藍蛋白缺陷體的使用可減少光 抑制[中島，都筑，上田(1999)的內容，“減少光抑制了藻藍蛋白缺失的突變體的藻寶 成6714”，應用藻類10日刊447-452]。這些可選功能可以被納入一個設計氧光合細菌 藻，例如，通過使用對乙醇耐受的和/或捕光色素天線缺陷突變體(如集胞藻突變體6714 株-缺失突變體Pd-I)作為轉基因的寄主，這些可選功能便可與乙醇生產途徑相結合。因此，根據不同的實施例之一，寄主(宿主)氧光合細菌藻選自下列集團海洋 的產氧光合細菌藻，淡水的產氧光合細菌藻，單細胞產氧光合細菌藻，多細胞產氧光合 細菌藻，耐寒產氧光合細菌藻株，耐熱產氧光合細菌藻株，具乙醇耐受性的產氧光合細 菌藻菌株，采光色素天線缺失突變體，及其組合。在寄主中創津乙醇牛產涂徑選擇適當的設計酶本發明的主要特點之一，是設計創造產氧光合細菌藻乙醇生產途徑馴服自然的 光合機制，實現從二氧化碳和水立即合成乙醇。自然的光合機制包括(1)通過細菌藻 類囊體膜光合作用分解水的過程和質子梯度耦合電子傳遞，產生還原力(NADPH氧)和 能量(ATP)，及(2)卡爾文循環，它在細胞質中，消耗所產的還原力(NADPH)和能量 (ATP)，把二氧化碳還原同化。根據本發明其中的一個方法，有一系列酶被用于創建一系列產氧光合細菌藻的 乙醇生產途徑，它(們)取一種卡爾文循環的中間產物，將其轉換成產品乙醇。一個“設 計乙醇生產途徑酶”現定義為一種酶，它至少在乙醇生產途徑中的其中一個步驟作為催 化劑使用。根據本發明，有許多種卡爾文循環的中間產物可以被用作分叉位點來創建乙 醇生產設計途徑；選用什么樣的酶來構建乙醇生產設計途徑取決于從卡爾文循環的那個 中間產物作分叉(枝/支)位點來設計建立乙醇生產代謝途徑。舉一個例子，一條能取用甘油三磷酸將其轉換成乙醇的產氧光合細菌藻設計途 徑，是通過使用如圖1中的數目標簽記01-07所示的下列酶創建而來一種依賴NAD的 甘油-3-磷酸脫氫酶(圖1標記01)，磷酸甘油酸激酶02，磷酸甘油酸變位酶03，烯醇 酶04，丙酮酸激酶05，丙酮酸脫羧酶06，和乙醇脫氫酶07。在這條由甘油三磷酸分枝 的設計乙醇生產途徑中，當一個甘油三磷酸分子被轉化成乙醇時，有一個輔酶NADH分 子從甘油三磷酸到1，3-二磷酸甘油酸的步驟，在依賴NAD的甘油三磷酸脫氫酶的催化 下，由一個NAD+分子的還原而生成，同時在乙醇脫氫酶的催化下，在還原乙醛生成乙醇 的終端反應步驟，有一個NADH分子被氧化轉換為NAD+分子。因此，在此乙醇生產途 徑中，輔酶NADH分子的生成數與消耗數相平衡。因此，從卡爾文循環的甘油三磷酸分枝的設計乙醇生產途徑(如圖1標記01-07所示)可連續工作。在另一個例子中，一條能取3-磷酸甘油酸將其轉換成乙醇的產氧光合細菌藻設 計途徑，是通過使用如圖1中的數目標簽記03-07所示的下列酶創建而來磷酸甘油酸變 位酶03，烯醇酶04，丙酮酸激酶05，丙酮酸脫羧酶06，和乙醇脫氫酶07。從圖1可以 看出，這五種酶(03-07)與在由甘油三磷酸分枝的由七種酶組成的乙醇生產途徑(01-07) 中的其中五種酶(03-07)是相同的。換句話說，這七種酶設計酶(01-07)可構成從卡爾文 循環的兩個中間產物(3-磷酸甘油酸和甘油三磷酸)作為兩分叉點而分枝形成的兩條乙醇 生產代謝途徑。這兩條途徑，然而，有不同的特點。與甘油三磷酸分枝的乙醇生產途徑 (01-07)不同，由3-磷酸甘油酸分枝的乙醇生產途徑只有五種酶(03-07)的活動，它本身 無法產生任何可供從乙醛還原到乙醇的終端步驟使用的輔酶NADH分子。也就是說，如 果在3-磷酸甘油酸分枝的乙醇生產途徑中，使用的是嚴格的依賴輔酶NADH的酒精脫氫 酶(它只能用NADH，而不能利用NADPH)，那么就需要有NADH的供應，以使得該乙 醇生產途徑能夠運行。因此，為了 3-磷酸甘油酸分枝的乙醇生產途徑的運作，最好，使 用能夠利用由光驅動電子傳遞過程所提供的NADPH的乙醇脫氫酶。因此，為3-磷酸甘 油酸分枝的乙醇生產途徑(如圖1標記03-07所示)的有效運作，其中一個首選做法是使 用一個能夠利用NADPH或NADPH和NADH(即NAD(P)H)的乙醇脫氫酶。另外，如 果在此使用只能夠利用NADH的乙醇脫氫酶，那么還有一個有利的選項是在細胞質中使 用一個額外的NADPH/NADH的轉換機制(更多有關NADPH/NADH轉換機制的細節表 述在下文)，以使3-磷酸甘油酸分枝的乙醇生產途徑可有效運作。在還有一個例子中，一條能把果糖二磷酸轉換成乙醇的產氧光合細菌藻設計途 徑，它通過使用下列酶創建而來(如圖1中的數目標記15-23所示)醛縮酶15，磷酸丙糖異構酶16，依賴NAD的甘油三磷酸脫氫酶17，磷酸甘油 酸激酶18，磷酸甘油酸變位酶19，烯醇酶20，丙酮酸激酶21，丙酮酸脫羧酶22，和乙醇 脫氫酶23;如圖1所示，只有醛縮酶15和磷酸丙糖異構酶16是兩個相對于甘油三磷酸 分枝的途徑(01-07圖1)而添加的酶。添加又一種酶，磷酸果糖激酶，形成了又一條從 卡爾文循環的果糖-6-磷酸分枝的產乙醇途徑。像甘油三磷酸分枝的產乙醇途徑(01-07 圖1)，無論是從果糖1 ，6 二磷酸分枝的產乙醇途徑(15-23圖1)還是從果糖-6-磷酸分 枝的產乙醇途徑(14-23圖1)，它們都能自己生產NADH，供其在從乙醛還原產生乙醇的 終端步驟使用。在這些乙醇生產途徑中，輔酶NADH分子的生成數與消耗數相平衡。因 此，這些產氧光合細菌藻乙醇生產設計途徑都可連續工作。表1列出了包括以上的設計產氧光合細菌藻乙醇生產途徑建設所確認的酶的例 子。在本規范中，當提到了一種酶時，例如在表1中列出的任何酶，就包括它和它的同 工酶，它的功能類似物和它的設計修改酶及其組合。這些酶可以選擇使用于設計產氧光 合細菌藻乙醇生產途徑的建筑。在此的“同工酶或功能類似物”是指具有相同的催化 功能，但可能會或可能不會有完全相同的蛋白質結構的某些酶。例如，在釀酒的酵_菌 (Saccharomycesbayanus)中，有四個不同的基因(登錄檢索號AY216992，AY216993， AY216994，和AY216995)編碼表達四個醇脫氫酶。這些乙醇脫氫酶基本上有作為乙醇脫 氫酶相同的功能，雖然它們的蛋白質序列有一些變化而不同。因此，同工酶或功能類似 物也可以選擇使用于乙醇生產途徑設計建筑和修改。酶的一個最本質的特征是其活性位點的酶催化功能。因此，某些酶蛋白片段或亞單位，包含這樣一個有活性的催化部位也 可選擇使用在這項發明中。由于 種種原因，某些天然酶不僅含有可取的催化基本結構成分，但也含有其它 可能不適合于特定應用的成分。通過生物信息學輔助分子設計技術的應用，酶的催化基 本結構成分也可以被選擇用于創建理想的設計酶。因此，根據不同的實施例之一，設計 酶的基因由按生物信息學輔助分子序列設計所創造的DNA設計構造而人工合成。利用 電腦輔助合成生物學的方法，任何設計酶DNA序列(因此它的蛋白質的結構)可以有選 擇地進行修改，以達到更理想的設計結果。因此，術語“設計修改序列”和“設計修飾 酶”是指由生物信息學輔助的分子設計改進了的DNA序列和酶蛋白。例如，當從一個 線粒體酶的DNA序列，設計一個產氧光合細菌藻乙醇生產途徑酶的DNA的構建時，其 中的一個首選的做法是通過有選擇地削減修改某些蛋白質結構，例如，削除其線粒體轉 運肽序列，因為其線粒體轉運肽序列對細菌藻是不適用的。因此，本發明的各種體現之 一，是在產氧光合細菌藻乙醇生產途徑的設計建設中，靈活運用酶及其同工酶，功能類 似物，設計修改酶和/或其組合。如表1所示，上文提到的許多來自不同生物體的酶的基因已被克隆和/或測序。 許多的基因組DNA和mRNA序列數據都可用于設計和合成轉基因的DNA構造，通過轉 基因技術把寄主細胞轉變成“設計產氧光合細菌藻”來實行光合產乙醇(圖1)。然而， 由于各種源生物及其細胞器組織格構與寄主細胞的要求經常不同，在構建產氧光合細菌 藻乙醇生產途徑中，某些DNA分子工程設計藝術包括轉基因DNA結構(圖2)序列的設 計和密碼子的優化是有必要的。例如，為建立乙醇生產途徑的可調控性能，其中很重要 的一點是在轉基因DNA設計構造(圖2A)中應用可誘導的啟動子，如，亞硝酸鹽還原酶 (nirA)或硝酸還原酶(narB)，來控制轉基因的表達。此外，如前面提到的，某些酶功能 性衍生類似物或這些酶的片段(序列)和可誘導型啟動子序列，也可以有選擇地，按照本 發明的多種方式，靈活應用于產氧光合細菌藻乙醇生產途徑的設計建設和使用。下文進 一步地描述產乙醇的設計產氧光合細菌藻的創造和使用。表1列出了可選擇用于產氧光合細菌藻乙醇生產途徑設計建設的酶的例子。
權利要求
1.本發明公開了一種光合生產和收獲乙醇的方法，其中包括在液體中培養具有轉基 因的產氧光合細菌藻(transgenic designer oxyphotobacterium)或其細胞(transgenicdesigner oxyphotobacterial cells)，使其表達一組酶作用于卡爾文循環的中間產物，將其轉換成乙 醇；并用室體蒸餾系統從液體介質回收乙醇和/或生產淡水。
2.根據權利要求1的方法，其中說的轉基因的產氧光合細菌藻(transgenic designeroxyphotobacterium)是從以下產氧光合細菌藻類(oxyphotobacteria)包括藍 藻和原綠藻集團選擇而來；它們是嗜熱藍藻的BP-I株(Thermosynechococcus elongatusBP-Ι)， 發菜藻 7120 株(Nostoc sp.PCC 7120)， 藍聚藻 6301 株 (Synechococcuselongatus PCC 6301), 藍 藻 7942 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7942)，藍藻 7002 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7002)，藍藻 6803 株(Syncechocystis sp.strainPCC 6803)，原綠球藻馬里努斯 MED4 株(Prochlorococcus marinus MED4)，原綠 球藻馬里努斯海峽麻省理工學院的9313株(Prochlorococcus marinus str.MIT 9313)，原綠 球藻馬里努斯海峽 NATLlA 株(Prochlorococcus marinus str.NATLlA)，原綠球藻 SS120 株(Prochlorococcus SS120),電累方寵藻(頂電累方寵藻)(Spirulina platensis (Arthrospiraplatensis ))，螺旋藻帕西菲卡(Spirulina Pacifica),藍藻(Lyngbya majuscule),魚腥藻(Anabaena sp.)，藍藻(Synechocystis sp.)，藍藻拉長(Synechococcuselongates)，藍藻 MC-4 株 (Synechococcus(MC-A)),束毛藻(Trichodesmium sp.)，藍藻(Richelia intracellularis)， 藍藻 WH7803 株(Synechococcus WH7803)，藍藻 WH8102 株(Synechococcus WH8102)， 發菜藻(Nostoc punctiforme)， 藍藻 7943 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7943), 藻藍 6714 藻藍蛋白缺失的突變體 PD 1 (Synechocyitis PCC 6714 phycocyanin-deficient mutant PD-1)，藍藻 51142 株(Cyanothece strain 51142)，藍藻 CCYOl 10 株(Cyanothece sp.CCYOl 10)，顫禾丨J 莫薩藍藻(Oscillatoria limosa)，藍藻(Lyngbya majuscula)，藍藻 (Symplocamuscorum),桿菌菜藻(Gloeobacterviolaceus)，原綠藻(Prochloron didemni), 原綠藻(Prochlorothrix hollandica),原綠球藻馬里努其j (Prochlorococcus marinus),聚藍 藻(Synechococcus bigranulatus)，嗜冷亶員藻(cryophilic Oscillatoria sp.)，藍藻(Phormidium sp.)，發菜新種 _1 (Nostoc sp._l)，藍藻(Calothrix parietina)，嗜熱聚藍藻(thermophilic Mastigocladus laminnosus)， 藍藻(Synechococcus lividus)， 嗜熱藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus),藍藻 6912 株(Chlorogloeopsisfritschii PCC 6912),聚藍藻 (Synechococcus vulcanus)，聚球藻菌株 MA4 (Synechococcus sp.strain MA4),聚球藻菌株 MA19 (Synechococcus sp.strain MA19),禾口嗜熱藍藻(Thermosynechococcus elongatus)。
3.根據權利要求2，其中說的轉基因的產氧光合細菌藻(transgenic designeroxyphotobacterium)是從以下產氧光合細菌藻類集團選擇而來.它們 是海洋的產氧光合細菌藻(marine oxyphotobacteria)，淡水的產氧光合細菌藻 (freshwateroxyphotobacteria)，耐鹽度的產氧光合細菌藻小種 / 株(salinity-tolerantoxy photobacterial strains),耐寒的產氧光合細菌藻小種 / 株(cold-tolerantoxyphotobacterial strains),耐熱的產氧光合細菌藻小種 / 株(heat-tolerantoxyphotobacterial strains),耐乙醇 的產氧光合細菌藻小種/株(ethanoHtolerantoxyphotobacterial strains)，捕光天線色素缺失 的產氧光合細菌藻變異體(light-harvesting-pigment-antenna-deficient mutants)，及它們的 組合。
4.根據權利要求3，其中說的設計師產氧光合細菌藻(oxyphotobacterium)是嗜熱藍藻 (Thermosynechococcus elongatus)。
5.根據權利要求3，其中說的設計師產氧光合細菌藻是原綠球藻馬里努斯。
6.根據權利要求3，其中說的設計師產氧光合細菌藻是發菜藻。
7.根據權利要求3，其中說的設計師產氧光合細菌藻是藍藻。
8.根據權利要求3，其中說的設計師產氧光合細菌藻是藍藻(Syncechocystis)。
9.根據權利要求1的方法，其中說的酶組由磷酸變位酶，烯醇丙酮酸激酶，丙酮酸脫 羧酶，乙醇脫氫酶，及其組合。
10.權利要求9的方法，其中說的乙醇脫氫酶是一種酒精脫氫酶，可以使用NADPH， 或 NADPH 禾口 NADH。
11.根據權利要求1的方法，其中說的酶組是甘油三磷酸脫氫酶，磷酸激酶，磷酸變 位酶，烯醇丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，乙醇脫氫酶，及其組合。
12.根據權利要求1的方法，其中說的酶組是醛縮酶，磷酸丙糖異構酶，甘油三磷酸 脫氫酶，磷酸激酶，磷酸變位酶，烯醇丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，乙醇脫氫酶，及其 組合。
13.根據權利要求1的方法，其中說的酶組是磷酸果糖激酶，磷酸果糖醛縮酶，磷酸 丙糖異構酶，甘油三磷酸脫氫酶，磷酸激酶，磷酸變位酶，烯醇酶，丙酮酸激酶，丙酮 酸脫羧酶，乙醇脫氫酶，和組合單位。
14.根據權利要求1的方法，其中說的酶組由淀粉酶，4-α-葡聚糖轉移酶，糖原磷 酸化酶，葡萄糖激酶，磷酸葡萄糖變位酶，葡萄糖_6磷酸異構酶，磷酸果糖激酶，磷 酸果糖醛縮酶，磷酸丙糖異構酶，甘油-3-磷酸脫氫酶，磷酸激酶，磷酸變位酶，烯醇 酶，丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，乙醇脫氫酶，及其組合。
15.根據權利要求1的方法，其中說的設計師產氧光合細菌藻細胞利用設計師循環 (transhydrogenase)氧化還原穿梭機制轉換，增強輔酶NADPH的以光生物乙醇生產。
16.根據權利要求15的方法，其中說的循環(transhydrogenase)的NADPH/NADH的 轉換機制是一個設計師所賦予的甘油三磷酸脫氫酶對一種依賴NADPH，另一種依賴輔 酶 NAD。
17.根據權利要求16的方法，其中說的可循環施用的穿梭氧化還原的NADPH/NADH 轉換機制是通過兩步反應的機制來實現的1)由依賴NADPH 的甘油三磷酸脫氫酶(NADPH-dependentglyceraldehyde-3_phospha te dehydrogenase)催化使用 NADPH 把 1，3_ 二磷酸甘油酸(1, 3-diphosphoglycerate)還 原成為甘油三磷酸(glyceraldehydes-3-phosphate)而產生 NADP+;2)而由依賴NAD+ 的甘油三磷酸脫氫酶(NAD+-dependentglyceraldehyde-3_phosphat e dehydrogenase)催化使用 NAD+把甘油三磷酸(glyceraldehyde_3-phosphate)來氧化成為 1，3_ 二磷酸甘油酸(1, 3-diphosphoglycerate.)而產生 NADH。
18.根據權利要求15的方法，這設計依賴NAD+的甘油三磷酸脫氫酶能與寄主本身的 依賴 NADPH 的甘油三磷酸脫氫酶(NADPH-dependent glyceraldehyde-3-phosphatedehydro genase)形成一種可循環施用的穿梭氧化還原機制(transhydrogenase)，使NADPH轉換成 NADH,以便加強光生物乙醇生產。
19.根據權利要求18的方法，可循環施用的設計師氧化還原穿梭機制 (transhydrogenase)，其中說的可循環施用的穿梭氧化還原的NADPH/NADH的轉換機制 是通過兩步反應的機制來實現的1)由寄主本身的依賴NADPH的甘油三磷酸脫氫酶(NADPH-dependentglycera ldehyde-3-phosphate dehydrogenase)催化使用 NADPH 把 1，3- 二磷酸甘油酸(1，3-diphosphoglycerate)還原成為甘油三磷酸(glyceraldehydes-3-phosphate)而產生 NADP+ ；2)而由依賴NAD+ 的甘油三磷酸脫氫酶(NAD+-dependentglyceraldehyde-3_phosphat e dehydrogenase)催化使用 NAD+把甘油三磷酸(glyceraldehyde_3-phosphate)來氧化成為 1，3-二磷酸甘油酸(1，3-diphosphoglycerate.)而產生 NADH。
20.根據權利要求1的方法，其中說的酶的表達是由一種可誘導啟動子調控。
21.根據權利要求20的方法，其中說的可誘導啟動子可由厭氧誘導。
22.根據權利要求20的方法，其中說的可誘導啟動子是一種雙向氫化酶基因(Hox)的 啟動子。
23.根據權利要求20的方法，其中說的可誘導啟動子是通過操縱培養液中的硝酸鹽與 銨的相對濃度來誘導。
24.根據權利要求20的方法，其中說的啟動子是一種亞硝酸鹽還原酶尼拉啟動子。
25.根據權利要求20的方法，其中說的啟動子是由光和/或熱量誘導。
26.根據權利要求20的方法，其中說的啟動子是一種groE啟動子。
27.根據權利要求20的方法，其中說的啟動子是一種rbcL基因啟動子。
28.根據權利要求1的方法，其中的產氧光合細菌藻細胞包含了至少一個酶的基因工 程的DNA編碼結構有利于NADPH/NADH的轉換增強光生物乙醇生產。
29.根據權利要求28的方法，其中說的酶是一種NADPH氧化酶磷酸或NAD激酶， 或兩者兼而有之。
30.根據權利要求28的方法，其中說的酶是一種輔酶NAD+依賴的甘油三磷酸脫氫酶。
31.根據權利要求28的方法，其中的酶表達，是一個可誘導啟動子控制。
32.根據權利要求1的方法，其中的產氧光合細菌藻細胞也通過基因工程抑制糖原合 成活動。
33.根據權利要求32的方法，其中說的糖原合成活動抑制包括抑制下列酶的表達或 活性糖原合酶，葡萄糖-ι-磷酸腺苷酸轉移酶，己糖磷酸異構酶，或磷酸葡萄糖變位 酶。
34.根據權利要求33的方法，其中包括導入一個DNA編碼構造使可誘導地表達一個 干擾核糖核酸GRNA)分子。
35.根據權利要求34的方法，這種可抑制糖原合成酶的干擾素GRNA)選自一組干 擾素核糖核酸GRNA)包括糖原合成酶干擾核糖核酸(glycogen-synthase iRNA)，葡萄 糖-1-磷酸腺苷轉移酶干擾核糖核酸(glucose-Ι-phosphate-adenylyltransferaseiRNA)，己 糖磷酸異構酶干擾核糖核酸(hexose-phosphate-isomerase iRNA)，磷酸葡萄糖變位酶干擾 核糖核酸(phosphoglucomutase iRNA)，及它們的組合。
36.根據權利要求1的方法，其中的產氧光合細菌藻細胞通過基因工程也可誘導地表 達一套分解糖原和糖糖酵解的設計師酶。
37.根據權利要求36，其中的一組設計師設計師酶包括淀粉酶，4-α-葡聚糖轉移 酶，糖原磷酸化酶，葡萄糖激酶，磷酸葡萄糖變位酶，葡萄糖_6磷酸異構酶，磷酸果糖 激酶，磷酸果糖醛縮酶，磷酸丙糖異構酶，甘油醛_3磷酸脫氫酶，磷酸激酶，磷酸變位 酶，烯醇酶，丙酮酸激酶，及其組合。
38.脫氧核糖核酸(DNA)的設計結構(designerDNA construct)，其結構從5'始端到 3'終端包括可誘導啟動子(inducible promoter)和光合乙醇生產途徑酶的設計基因核酸 編碼序列(nucleotide sequence).
39.根據權利要求38的DNA構造，其中說的酶是從以下的酶集團選擇而來磷酸果 糖激酶(phosphofractose kinase),果糖二磷酸醛縮酶(fructose diphosphatealdolase),磷酸 丙糖異構酶(triose phosphate isomerase),甘油三磷酸脫S酶(glyceraldehyde—3-phosphate dehydrogenase),磷酸甘油酸激酶(phosphoglyceratekinase),磷酸變位酶(磷酸甘油酸 變位酶)，烯醇酶(enolase)，丙酮酸激酶(pyravatekinase)，丙酮酸脫羧酶(pyruvate decarboxylase),乙醇脫氫酶(alcoholdehydrogenase)，及它們的組合。
40.脫氧核糖核酸(DNA)的設計結構，其結構從5'始端到3'終端包括可誘導啟 動子和至少一種有利于的NADPH/NADH轉換的酶的基因核苷酸序列。
41.根據權利要求40，其中說的NADPH/NADH轉換酶是一種依賴輔酶NAD的甘油 三磷酸脫氫酶。
42.根據權利要求40，其中說的NADPH/NADH轉換酶是一種依賴NADPH的甘油三磷酸脫氫酶。
43.根據權利要求40，其中說的NADPH/NADH轉換酶是一種NADPH磷酸化酶或 NAD激酶，或兩者兼而有之。
44.一種DNA的設計結構，其DNA結構從5'到3'包括一種可誘導啟動子和 一種可表達產生一種可抑制糖原合成酶的干擾素GRNA)的設計基因核酸編碼序列 (nucleotidesequence).
45.根據權利要求44的構造，其中說的糖原合成酶選自下列酶組糖原合酶，葡萄 糖-1-磷酸腺苷酸轉移酶，磷酸葡萄糖變位酶，和己糖，磷酸異構酶。
46.其DNA結構從5'到3'包括一種可誘導啟動子和一種有利于糖原酵解酶的設 計基因核苷酸序列編碼.
47.根據權利要求46的方法，其中說的酶從以下的酶集團選擇而來淀粉 酶(amylase, ), 4-α -葡聚糖轉移酶(4-alpha-glucanotransferase,),糖原磷酸 化酶(glycogen phosphorylase)，葡萄糖激酶(glucokinase)，磷酸葡萄糖變位酶 (phosphoglucomutase),葡萄糖-6 磷酸異構酶(glucose—6-phosphate isomerase)，磷酸果 糖激酶(phosphofructose kinase),磷酸果糖醛縮酶(fructose diphosphatealdolase),磷酸 丙糖異構酶(triose phosphate isomerase),甘油三磷酸脫S酶(glyceraldehyde—3-phosphate dehydrogenase), 磷酸甘油酸激酶(phosphoglyceratekinase), 磷酸甘油酸變位酶 (phosphoglycerate mutase),烯醇酶(enolase),丙酮酸激酶(pyruvate kinase),和它們的組合 O
48.根據權利要求38，40，44，46，其中說的啟動子是從以下的啟動子集團選擇而 來亞硝酸鹽還原酶基因啟動子(nitrite-reductase-gene(nirA)promoters),雙向氫酶基因 啟動子(bidirectional-hydrogenase-gene hox promoters)，光-熱口向應的啟動子(light—and heat-responsive groE promoters)，核酮糖二磷酸羧化酶/氧化酶基因操縱子的啟動子 (Rubisco-operon rbcL promoters),金屬(鋅)可誘導的啟動子(metal(zinc)-inducible smt promoter), 鐵反應可誘導的啟云力子(iron-responsive idiApromoter), 氧化還原反應可誘 導的 crhR 啟動子(redox-responsive crhR promoter),熱休克基因啟動子(heat-shock-gene hspl6.6 promoter),小熱休克蛋白的啟動子(small heat-shock protein (Hsp) promoter), 二氧化碳反應的終酸酐酶基因啟動子(C02-responsive carbonic-anhydrase-gene promoters,)，綠色 / 紅色光口向應的啟動子(green/red light responsive cpcB2A2 promoter), 紫外線光響應的啟動子(UV-lightresponsivelexA，recA and ravB promoters,)，硝酸還原 酶基因啟云力子(nitrate-reductase-gene(narB)promoters),禾P它們的組合。
49.轉基因的產氧光合細菌藻細胞包含任何一種根據權利要求38，40，44或46核酸 (DNA)的設計結構。
50.轉基因的產氧光合細菌藻細胞經過基因工程可誘導地表達磷酸變位酶，烯醇酶， 丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，乙醇脫氫酶，使之與細胞質中的卡爾文循環一起工作而光 合生產乙醇。
51.根據權利要求50，其中的轉基因產氧光合細菌藻還可誘導地在其細胞質中表達甘 油三磷酸脫氫酶和磷酸激酶。
52.根據權利要求51，其中的轉基因產氧光合細菌藻還可誘導地在其細胞質中表達二 磷酸果糖醛縮酶和磷酸丙糖異構酶。
53.根據權利要求52，其中的轉基因產氧光合細菌藻還可誘導地表達磷酸果糖激酶。
54.根據權利要求53，其中的轉基因產氧光合細菌藻還可誘導地表達淀粉酶，糖原 磷酸化酶，4-α-葡聚糖轉移酶，葡萄糖激酶，磷酸葡萄糖變位酶，葡萄糖_6磷酸異構 酶。
55.根據權利要求49-54的方法，其中說的轉基因產氧光合細菌藻或其細胞表達至 少一種酶或設計基因選自以下的集團包括淀粉酶，糖原磷酸化酶，4-α-葡聚糖轉移 酶，葡萄糖激酶，磷酸葡萄糖變位酶和葡萄糖六磷酸異構酶，磷酸果糖激酶，磷酸果糖 醛縮酶，磷酸丙糖異構酶，甘油三磷酸脫氫酶，磷酸甘油酸激酶，磷酸甘油酸變位酶， 烯醇酶，丙酮酸激酶，丙酮酸脫羧酶，乙醇脫氫酶，依賴NAD的甘油三磷酸脫氫酶； NADPH磷酸酶；NAD激酶；一種干擾素分子(iRNA)可抑制下列酶的表達糖原合成 酶，葡萄糖-ι-磷酸腺苷酸轉移酶，己糖磷酸異構酶，或磷酸葡萄糖變位酶；或一組可 以部分或全部有助于淀粉降解和糖酵解的酶淀粉酶，4-α-葡聚糖轉移酶，糖原磷酸 化酶，葡萄糖激酶，葡萄糖_6磷酸異構酶，磷酸果糖激酶，磷酸果糖醛縮酶，磷酸丙糖 異構酶，甘油三磷酸脫氫酶，磷酸甘油酸激酶，磷酸甘油酸變位酶，烯醇酶，丙酮酸激 酶，和它們的組合。
56.—種乙醇光合生產過程，這個過程包括以下步驟一)在水液體介質中，培養 轉基因設計師產氧光合細菌藻細胞，其轉基因產氧光合細菌藻細胞包括至少一個外源基 因，可在其細胞質中表達至少一條設計師乙醇生產途徑；二)誘導轉基因產氧光合細菌藻產生出被誘導的轉基因產氧光合細菌藻細胞具有至少一個激活的轉基因，賦予至少一 條設計師乙醇生產途徑；和三)提供二氧化碳和光能，使用被誘導的轉基因產氧光合細 菌藻把二氧化碳，水和光能量轉換為某些中間產品并最終轉換成乙醇和氧氣。
57.根據權利要求56，轉基因設計師產氧光合細菌藻使用二氧化碳為主要碳源，進行 光合自養型細胞生長。
58.根據權利要求56個，其中的轉基因設計師產氧光合細菌藻細胞也可光異養或 光自-異雜養地進行生長，使用有機基物質選自下列有機基物集團葡萄糖，果糖， 蔗糖，醋酸，乙醇，甲醇，丙醇，丁醇，丙酮，淀粉，半纖維素，纖維素，脂肪，蛋白 質，有機酸，生物材料和組合。
59.根據權利要求56，其中的含有Hox基因啟動子控制基因的產氧光合細菌藻的培養 過程步驟一)，在有氧環境下進行。
60.根據權利要求56，其中的含有尼拉(或narB)基因啟動子控制基因的產氧光合細 菌藻的培養過程步驟一)，在存在銨氮肥但沒有硝酸鹽的有氧環境下進行。
61.根據權利要求56，其中的含有尼拉(或narB)基因啟動子控制基因的產氧光合細 菌藻的培養步驟一)，在存在銨氮肥但沒有硝酸鹽的環境下進行。
62.根據權利要求56，其中的含有Hox基因啟動子控制基因的產氧光合細菌藻誘導步 驟二)在沒有氧氣的厭氧環境下進行。
63.根據權利要求56，其中的含有尼拉(或narB)基因啟動子控制基因的產氧光合細 菌藻誘導步驟二)，在有氧環境中，加硝酸鹽形式的氮肥而進行。
64.根據權利要求56，其中的含有尼拉(或narB)基因啟動子控制基因的產氧光合細 菌藻誘導步驟二)，在厭氧環境中，加硝酸鹽形式的氮肥而進行。
65.根據權利要求56，其中的二氧化碳來源是從化石燃料和/或生物質為燃料的工業 設施的煙氣二氧化碳。
66.根據權利要求56，其中的煙氣二氧化碳從化石燃料和/或生物質為燃料的工業設 施通過一個管道而導入一個生物反應器。
67.根據權利要求56，其中二氧化碳的來源是從環境和大氣中空氣的二氧化碳。
68.根據權利要求56，所提供的其他二氧化碳來源選自溶解的二氧化碳，碳酸氫 鹽，碳酸鹽和二氧化碳氣體，及其組合。
69.根據權利要求65個過程，其中的產生供應二氧化碳的化石燃料和/或生物質燃料 工業設施選自下列組團燃煤電廠，鐵和煉鋼業，水泥生產廠，石油精煉廠設施，化肥 生產廠，生物質為燃料和/或化石燃料的乙醇蒸餾/分離設備，生物質熱解過程，煙囪， 發酵生物反應器，生物燃料的煉油設施，及其組合。
70.根據權利要求56過程中，還包括以下步驟四)由膜過濾和酒精蒸餾技術的結合 從反應器環境收獲乙醇。五)收獲使用過的轉基因產氧光合細菌藻細胞細胞。六)重復 權利要求56中的步驟一)至三，和步驟四)和五)連續光生物乙醇生產)。
71.權利要求70的過程，還包括一個采收轉基因設計師產氧光合細菌藻乙醇生產途徑 所產生的中間產品的步驟。
72.根據權利要求71的過程，其中可從二氧化碳和水由轉基因產氧光合細菌藻乙醇生 產設計途徑產生的中間產品選自下列集團乙醛，丙酮，磷酸，二磷酸甘油酸，1，3 二磷酸甘油酸，甘油-3-磷酸，磷酸二羥丙酮，果糖1，6 二磷酸果糖-6-磷酸葡萄糖六磷 酸鹽，葡萄糖-ι-磷酸，葡萄糖，及其組合。
73.根據權利要求72的過程，其中的中間產品的生產，可以通過有選擇地關掉設計途 徑中消耗該中間產品的酶的活性而增強。
74.根據權利要求72的過程，其中的中間產品的生產，可以通過有選擇地省略設計途 徑中消耗該中間產品的酶而增強。
75.一種用于篩選和開發耐乙醇光合生物方法，其中篩選耐乙醇光合生物的方法是， 在含有一定乙醇濃度的液體介質中，通過測量光合作用速率來檢查該光合生物的耐乙醇 能力；其中發展耐乙醇光合生物的方法是通過誘變和從所述液體培養基篩中選耐乙醇光合 生物。
76.根據權利要求75，其中說的轉基因的產氧光合細菌藻(transgenic designeroxyphotobacterium)是從以下產氧光合細菌藻類(oxyphotobacteria)包括藍 藻和原綠藻集團選擇而來；它們是嗜熱藍藻的BP-I株(Thermosynechococcus elongatusBP-Ι)， 發菜藻 7120 株(Nostoc sp.PCC 7120)， 藍聚藻 6301 株 (Synechococcuselongatus PCC 6301), 藍 藻 7942 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7942)，藍藻 7002 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7002)，藍藻 6803 株(Syncechocystis sp.strainPCC 6803)，原綠球藻馬里努斯 MED4 株(Prochlorococcus marinus MED4)， 原綠球藻馬里努斯海峽麻省理工學院的9313株(Prochlorococcus marinus str.MIT 9313)，原綠球藻馬里努斯海峽NATLlA株(Prochloroco_ marinus str.NATLlA)，原綠球 藻 SS120 株(ProcHcroaxcus SS120)，螺旋藻(頂螺旋藻)(Spimlina platensis (Arfrospimplatensis)), 螺旋藻中白西菲卡(Spirulina Pacifica)，藍藻(Lyngbya majuscule)，魚腥藻(Anabaena sp.)，藍藻(Synechocystis sp.)，藍藻拉長(Synechicoccuselongates)，藍藻 MC-A 株 (Synechococcus(MC-A)),束毛藻(Trichodesmium sp.)，藍藻(Richelia intracellularis)， 藍藻 WH7803 株(Synechococcus WH7803)，藍藻 WH8102 株(Synechococcus WH8102)， 發菜藻(Nostoc punctiforme)， 藍藻 7943 株(Syncechococcus sp.strain PCC 7943), 藻藍 6714 藻藍蛋白缺失的突變體 PD 1 (Synechocyitis PCC 6714 phycocyanin-deficient mutant PD-1)，藍藻 51142 株(Cyanothece strain 51142)，藍藻 CCYO110 株(Cyanothece sp.CCYOl 10)，顫禾丨J 莫薩藍藻(Oscillatoria limosa)，藍藻(Lyngbya majuscula)，藍藻 (Symploca muscorum),桿菌菜藻(Gloeobacter violaceus)，原綠藻(Prochloron didemni), 原綠藻(Prochlorothrix hollandica),原綠球藻馬里努其j (Prochlorococcus marinus),聚藍 藻(Synechococcus bigranulatus)，嗜冷亶員藻(cryophilic Oscillatoria sp.)，藍藻(Phormidium sp.)，發菜新禾中—I (Nostoc sp-1)，藍藻(Calothrix parietina)，嗜熱聚藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus)， 藍藻(Synechococcus lividus)， 嗜熱藍藻(thermophilic Mastigocladus laminosus),藍藻 6912 株(Chlorogloeopsisfritschii PCC 6912),聚藍藻 (Synechococcus vulcanus)，聚球藻菌株 MA4 (Synechococcus sp.strain MA4),聚球藻菌株 MA19 (Synechococcus sp.strain MA19),禾口嗜熱藍藻(Thermosynechococcus elongatus)。
77.根據權利要求76，其中說的轉基因的產氧光合細菌藻(transgenic designeroxyphotobacterium)是從以下產氧光合細菌藻類集團選擇而來.它們是海洋的產氧光合細菌藻(marine oxyphotobacteria)，淡水的產氧光合細菌藻 (freshwateroxyphotobacteria)，耐鹽度的產氧光合細菌藻小種 / 株(salinity-tolerantoxy photobacterial strains),耐寒的產氧光合細菌藻小種 / 株(cold-tolerantoxyphotobacterial strains),耐熱的產氧光合細菌藻小種 / 株(heat-tolerantoxyphotobacterial strains),耐乙醇 的產氧光合細菌藻小種/株(ethanoHtolerantoxyphotobacterial strains)，捕光天線色素缺失 的產氧光合細菌藻變異體(light-harvesting-pigment-antenna-deficient mutants)，及它們的 組合。
78.根據權利要求75的方法，其中表示，乙醇寬容光合生物篩選是一個過程包括以下 步驟一)在乙醇濃度范圍從0%到20%的存在下，和/或在一定的其它環境壓力包括 (但不限于)熱，寒，鹽度的存在條件下，測量生物光合作用速率；二)繪制乙醇濃度和 光合生物光合速率圖；三)通過比較其光合作用速率與乙醇酒精濃度曲線確定光合生物 的乙醇耐受能力。
79.根據權利要求78的方法，其中步驟一)測量出生物的光合作用是在厭氧條件下進 行，以避免通過機體的乙醇氧化呼吸途徑而形成假乙醇耐受性。
80.根據權利要求75的方法，其中說，乙醇耐受寬容的光合生物的發展是一個過程包 括以下步驟一)光合生物誘變；二)在一個關鍵的酒精濃度的存在下，選擇誘變光合 生物的乙醇耐受能力；三)培養選定的乙醇耐受誘變體作進一步轉化和篩選；
81.根據權利要求權80的方法，其中的選擇光合生物誘變步驟二)是在厭氧條件下， 在一個關鍵的酒精濃度存在下進行。
82.根據權利要求80，過程中還包括以下步驟四)種植一成液體文化選擇的殖民 地；五)為進一步篩選，通過測量在光合作用中的濃度范圍內對乙醇的存在率從到 20%和/或乙醇耐受光合生物一定的環境條件，包括(但不限于)耐熱，耐寒，鹽度應 力；六)重復權利要求80中的步驟一)至三)和步驟四)和五)作為一周期，多次行使， 以取得更理想的結果。
83.—種光生物乙醇的生產和收獲方法，包括在液體介質中使用設計師轉基因光合生 物溫室蒸餾系統的方法，其中使用陽光駕駛光合乙醇生產和產生熱量，通過蒸發蒸餾生 產收獲乙醇。
84.根據權利要求83，其中說的溫室蒸餾系統包括一個光生物反應器與二氧化碳 源，反應器入口及出口，一個傾斜的水汽凝結透明天花板，一個尾氣冷凝和通風裝置， 和可收集冷凝液的在天花板以下位于內墻周圍的收集管道。
85.根據權利要求84，該方法利用陽光，二氧化碳(C02)和水(H20)在光生物反應 器內生產乙醇(CH3CH20H)和氧氣(O2)，并利用這過程中產生的太陽熱使乙醇和水從液 體介質蒸發蒸汽上升到反應器蒸餾溫室傾斜的吊(拱)頂天花板，在那里由溫室蒸餾系統 外部冷空氣和/或對外層空間輻射而被冷卻和冷凝，而實行乙醇回收。
86.根據權利要求的方法86，當蒸汽冷凝時，凝結成小液滴，可以沿著傾斜的天花板 向下滑動，這個過程使用液滴與表面相互作用和地球重力的向下拉力，從而使液滴滑流 入位于繞溫室內墻面周圍的收集道管，且所收集的冷凝液最后通過輸送管利用重力被輸 送到儲罐或下一個蒸餾溫室。
87.根據權利要求86的方法，其中收集的冷凝水是通過使用一個冷凝運輸管從收集管運輸到下一個儲存罐蒸或餾溫室。
88.根據權利要求84，其中說的光生物反應器包含一個擋板系統指導培養基流動。
89.根據權利要求84的方法，其中的透明天花板是一個通冷卻水的透明天花板腔室， 在水腔室的頂部和底部有管道入口與出口。
90.根據權利要求84，其中說的尾氣冷凝和排氣裝置包括一個冷水浴室，尾氣冷凝盤 管，氣體凝析室，和一個垂直排氣管。
91.根據權利要求90，其中說的尾氣冷凝和排氣裝置包括一個冷水浴室，尾氣冷凝盤 管，氣體凝析室，和一個垂直排氣管；且其中，通過貫穿的冷水來冷卻尾氣冷凝盤管， 氣體冷凝室，和通風管，使尾氣中的蒸氣在通過垂直排氣管排出之前，沿冷凝盤管冷卻 與凝析，而實行乙醇回收，和/或生產淡水。
92.根據權利要求83，其中說的溫室蒸餾系統包括一個上層多間蒸餾艙與其相聯的有 液管，可調進口管道，可調出口管道，孔和/或蒸餾室擋板，以引導啤酒液流動；位于 蒸餾室下層是一個光生物反應器，它與一個二氧化碳源向聯接。
93.根據權利要求92，其中說的上層多間蒸餾室與下一層的光生物反應器以透明薄膜 或板相隔離，只允許太陽光經過上層多間蒸餾艙到達下層的光生物反應器；
94.根據權利要求84，在下層的光生物反應器利用太陽光進行光合作用和產熱，而上 層的多間蒸餾艙則利用所產之太陽熱蒸餾啤酒液，而實行乙醇回收。
95.根據權利要求92，其中說的蒸餾產物(冷凝物)是通過蒸餾艙內壁周圍的收集管 道被收集后，由輸送管利用重力將其輸送到儲存罐.
96.根據權利要求92，其中說的下層的光生物反應器有一頂空間，以便二氧化碳的喂 送和氧氣的靈活除去。
97.根據權利要求96，其中氧氣是靈活地從光生物反應器的氧氣氣體收集系統，包括 使用一個氧氣分離膜系統，氧氣氣體泵頂收獲，以及氧氣儲罐。
98.根據權利要求83的方法，其中說的蒸餾系統包括多個溫室餾系統以系列/并行方 式運行，以增強乙醇生產和收獲，和/或生產淡水.
99.該方法根據權利要求98，其中說的多蒸餾溫室是從權利要求84-97中的生物反應 器和蒸餾溫室組團中選出。
100.根據權利要求98，其中說的蒸餾系統包括多個溫室餾系統以系列/并行方式運 行增強乙醇生產和收獲，和/或生產淡水；其中，光生物生產的乙醇，利用太陽廢熱從 生物培養基進行多溫室蒸餾與再蒸餾(重新蒸發，冷凝，再蒸發和再冷凝)的系列過程， 直至達到所需的最終蒸餾餾分的酒精濃度。
101.根據權利要求98，其中，凝析液(蒸餾產物)從一個蒸餾溫室，通過一個冷凝運 輸管使用重力以最小的能源成本運送到下一個蒸餾溫室。
102.—種光生物乙醇的生產和收獲的過程，這個過程包括以下步驟一)在水液體 介質中，培養轉基因的設計生物體，其中如設計師產氧光合細菌藻，設計藻類，設計轉 基因的植物細胞生物體，包括至少一個設計師乙醇生產途徑的外源基因；二)誘導轉基 因的設計生物體，它具有至少一個轉基因可被激活，賦予至少一個設計師乙醇生產的途 徑；三)提供利用二氧化碳和陽光，使其能從二氧化碳和水，光生物乙醇生產，并在培 養基產生太陽熱能；四)利用太陽熱能汽化液體介質(水)乙醇產品；五)凝結蒸汽到一個傾斜的透明的由空氣，風，和/或熱輻射到太空而冷卻的天花頂板；六)通過使用傾斜 天花板和溫室墻上周圍的冷凝液收集管，收集冷凝液；七)通過使用冷凝液運輸管，利 用重力把收集的冷凝液運輸到下一個蒸餾溫室(或存儲罐)，作重新蒸餾，直到實現預期 餾分液乙醇濃度。
103.根據權利要求102中的過程，其中，使用二氧化碳作為主要碳源。
104.根據權利要求102中的過程，其中的設計師轉基因生物體也可光異養或光自-異 雜養地進行生長，使用有機基物質選自下列有機基物集團蔗糖，葡萄糖，醋酸，乙 醇，甲醇，丙醇，丁醇，丙酮，淀粉，半纖維素，纖維素，脂肪，蛋白質，有機酸，生 物材料和組合。
105.根據權利要求102中的過程，其中一個生長步驟，含氫啟動子控制設計基因的生 物體在有氧環境中進行的。
106.根據權利要求102中的過程，其中一個生長步驟，含有尼拉(或narB)基因啟動 子控制基因的產氧光合細菌藻，在存在銨氮肥但沒有硝酸鹽的有氧環境下進行。
107.根據權利要求102中的過程，其中一個生長步驟，含有尼拉(或narB)基因啟動 子控制基因的產氧光合細菌藻，在存在銨氮肥但沒有硝酸鹽的厭氧環境下進行。
108.根據權利要求102的過程，其中含有Hox基因啟動子控制基因的產氧光合細菌藻 誘導步驟在沒有氧氣的厭氧環境下進行。
109.根據權利要求102中的過程，其中的含有尼拉(或narB)基因啟動子控制基因的 產氧光合細菌藻誘導步驟，在有氧環境中，加硝酸鹽形式的氮肥而進行。
110.根據權利要求102中的過程，其中的含有尼拉(或narB)基因啟動子控制基因的 產氧光合細菌藻誘導步驟，在厭氧環境中，加硝酸鹽形式的氮肥而進行。
111.根據權利要求102中的過程，其中凝結的步驟五)是通過在天花板水室運行冷水 提高了蒸汽冷凝吊頂系統冷卻效果。
112.根據權利要求102中的過程，其中二氧化碳的來源是從化石燃料和/或生物質為 燃料的工業設施的煙氣二氧化碳。
113.根據權利要求102中的過程，其中的煙氣二氧化碳從化石燃料和/或生物質為燃 料的工業設施通過一個管道而導入一個生物反應器。
114.根據權利要求102中的過程，其中二氧化碳的來源是從環境和大氣中空氣的二氧 化碳。
115.根據權利要求102中的過程，其中所提供的其他來源的C02選自溶解二氧化 碳，碳酸氫鹽，碳酸鹽和二氧化碳氣體，及其組合。
116.根據權利要求102中的過程，其中產生供應二氧化碳的化石燃料和/或生物質 燃料工業設施選自下列組團燃煤電廠，鐵和煉鋼業，水泥生產廠，石油精煉廠設施， 化肥生產廠，生物質為燃料和/或化石燃料的乙醇蒸餾/分離設備，生物質熱解過程，煙 囪，發酵生物反應器，生物燃料的煉油設施，及其組合。
117.根據權利要求102的過程，還包括以下步驟八)收獲，從一個溫室蒸餾和重乙 醇蒸餾技術相結合的環境；九)收獲后的殘余液體收獲啤酒的啤酒酒精液體產品(主要是 純淡水)；十)條乙醇和收獲的產品從尾氣淡水通過使用尾氣冷凝和通風裝置；十一)的 收獲設計師所使用的轉基因生物體也就是從誘導轉基因生物轉化；十二)重復根據權利要求102的過程步驟一)到七)和步驟八至十一實行連續的光生物乙醇生產和收獲。
118.根據權利要求117的過程，其中的步驟十)是通過使用一種或數個尾氣冷凝和排 氣裝置系列和/或平行處理尾氣，收獲乙醇和淡水產品。
全文摘要
本發明公開了一種轉基因的設計光合生物及溫室蒸餾系統利用二氧化碳和水生產乙醇的方法。轉基因的設計光合生物包括產氧光合細菌藻(oxyphotobacteria)，例如轉基因的藍藻通過轉基因而馴服其內源光合調節機制，使光合作用所得的還原力(NADPH)和能量(ATP)可直接用于從二氧化碳(CO2)和水(H2O)合成生產乙醇(CH3CH2OH)。通過一對依賴NADPH與依賴NAD的甘油三磷酸脫氫酶的使用，可提供一種特殊的可循環使用的穿梭氧化還原功能，使NADPH能被轉換成NADH，增強光合生物乙醇生產。通過轉基因生物與溫室蒸餾系統的結合使用，光合過程中產生的太陽廢熱可被用于溫室蒸餾收獲乙醇。本發明的乙醇光合生產與溫室蒸餾相結合的技術具較高的從太陽能到乙醇的能量轉換效率，和多種應用包括生產中間代謝產物和從海水產制淡水。
文檔編號C12N15/52GK102027116SQ200980114318
公開日2011年4月20日 申請日期2009年2月20日 優先權日2008年2月22日
發明者詹姆斯·偉甫·酈 申請人:詹姆斯·偉甫·酈