The metabolism of phototrophic cyanobacteria is an integral part of global biogeochemical cycles, and the capability of cyanobacteria to assimilate atmospheric CO 2 into organic carbon has manifold potential applications for a sustainable biotechnology. To elucidate the properties of cyanobacterial metabolism and growth, computational reconstructions of genome-scale metabolic networks play an increasingly important role. Here, we present an updated reconstruction of the metabolic network of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 and its quantitative evaluation using flux balance analysis (FBA). To overcome limitations of conventional FBA, and to allow for the integration of experimental analyses, we develop a novel approach to describe light absorption and light utilization within the framework of FBA. Our approach incorporates photoinhibition and a variable quantum yield into the constraint-based description of light-limited phototrophic growth. We show that the resulting model is capable of predicting quantitative properties of cyanobacterial growth, including photosynthetic oxygen evolution and the ATP/NADPH ratio required for growth and cellular maintenance. Our approach retains the computational and conceptual simplicity of FBA and is readily applicable to other phototrophic microorganisms.

Abstract Cyanobacteria play a key role in primary production in both oceans and fresh waters and hold great potential for sustainable production of a large number of commodities. During their life, cyanobacteria cells need to acclimate to a multitude of challenges, including shifts in intensity and quality of incident light. Despite our increasing understanding of metabolic regulation under various light regimes, detailed insight into fitness advantages and limitations under shifting light quality remains underexplored. Here, we study photo-physiological acclimation in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 throughout the photosynthetically active radiation (PAR) range. Using light emitting diodes (LEDs) with qualitatively different narrow spectra, we describe wavelength dependence of light capture, electron transport and energy transduction to main cellular pools. In addition, we describe processes that fine-tune light capture, such as state transitions, or the efficiency of energy transfer from phycobilisomes to photosystems (PS). We show that growth was the most limited under blue light due to inefficient light harvesting, and that many cellular processes are tightly linked to the redox state of the plastoquinone (PQ) pool, which was the most reduced under red light. The PSI-to-PSII ratio was low under blue photons, however, it was not the main growth-limiting factor, since it was even more reduced under violet and near far-red lights, where Synechocystis grew faster compared to blue light. Our results provide insight into the spectral dependence of phototrophic growth and can provide the foundation for future studies of molecular mechanisms underlying light acclimation in cyanobacteria, leading to light optimization in controlled cultivations.

The metabolism of phototrophic cyanobacterial is an integral part of global biogeochemical cycles, and the capability of cyanobacteria to assimilate atmospheric CO2 into organic carbon has manifold potential applications for a sustainable biotechnology. To elucidate the properties of cyanobacterial metabolism and growth, computational reconstructions of the genome-scale metabolic networks play an increasingly important role. Here, we present an updated reconstruction of the metabolic network of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 and its analysis using flux balance analysis (FBA). To overcome limitations of conventional FBA, and to allow for the integration of quantitative experimental analyses, we develop a novel approach to describe light absorption and light utilization. Our approach incorporates photoinhibition and a variable quantum yield into the constraint-based description of light-limited phototrophic growth. We show that the resulting model is capable to predict quantitative properties of cyanobacterial growth, including photosynthetic oxygen evolution and the ATP/NADPH ratio required for growth and cellular maintenance. Our approach retains the computational and conceptual simplicity of FBA and is readily applicable to other phototropic microorganisms.

Phototrophic microorganisms are promising resources for green biotechnology. Compared to heterotrophic microorganisms, however, the cellular economy of phototrophic growth is still insufficiently understood. We provide a quantitative analysis of light-limited, light-saturated, and light-inhibited growth of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 using a reproducible cultivation setup. We report key physiological parameters, including growth rate, cell size, and photosynthetic activity over a wide range of light intensities. Intracellular proteins were quantified to monitor proteome allocation as a function of growth rate. Among other physiological adaptations, we identify an upregulation of the translational machinery and downregulation of light harvesting components with increasing light intensity and growth rate. The resulting growth laws are discussed in the context of a coarse-grained model of phototrophic growth and available data obtained by a comprehensive literature search. Our insights into quantitative aspects of cyanobacterial adaptations to different growth rates have implications to understand and optimize photosynthetic productivity.

Abstract Phycobilisomes are versatile cyanobacterial antenna complexes that harvest light energy to drive photosynthesis. These complexes can also adapt to various light conditions, dismantling under high light to prevent photo-oxidation and arranging in rows under low light to increase light harvesting efficiency. Light quality also influences phycobilisome structure and function, as observed under far-red light exposure. Here we describe a new, phycobilisome linker protein, ApcI (previously hypothetical protein sll1911), expressed specifically under red light. We characterized ApcI in Synechocystis sp. PCC 6803 using mutant strain analyses, phycobilisome binding experiments, and protein interaction studies. Mutation of apcI conferred high light tolerance to Synechocystis sp. PCC 6803 compared to wild type with reduced energy transfer from phycobilisomes to the photosystems. Binding experiments revealed that ApcI replaces the linker protein ApcG at the membrane-facing side of the phycobilisome core using a paralogous C-terminal domain. Additionally, the N-terminal extension of ApcI was found to interact with photosystem II. Our findings highlight the importance of phycobilisome remodeling for adaptation under different light conditions. The characterization of ApcI provides new insights into the mechanisms by which cyanobacteria optimize light-harvesting in response to varying light environments.

ABSTRACT Photosynthetic organisms harvest light using pigment-protein super-complexes. In cyanobacteria, these are water-soluble antennae known as phycobilisomes (PBSs). The light absorbed by PBS is transferred to the photosystems in the thylakoid membrane to drive photosynthesis. The energy transfer between these super-complexes implies that protein-protein interactions allow the association of PBS with the photosystems. However, the specific proteins involved in the interaction of PBS with the photosystems are not fully characterized. Here, we show that the newly discovered PBS linker protein ApcG interacts specifically with photosystem II through its N-terminal region. Growth of cyanobacteria is impaired in apcG deletion strains under light-limiting conditions. Furthermore, complementation of these strains using a phospho-mimicking version of ApcG exhibit reduced growth under normal growth conditions. Interestingly, the interaction of ApcG with photosystem II is affected when a phospho-mimicking version of ApcG is used, targeting the positively charged residues interacting with thylakoid membrane suggesting a regulatory role mediated by phosphorylation of ApcG. Low temperature fluorescence measurements showed increased photosystem I fluorescence in apcG deletion and complementation strains. The photosystem I fluorescence was the highest in the phospho-mimicking complementation strain while pull-down experiment showed no interaction of ApcG with PSI under any tested condition. Our results highlight the importance of ApcG for selectively directing energy harvested by the PBS and implies that the phosphorylation status of ApcG plays a role in regulating energy transfer from PSII to PSI.

Abstract Cyanobacteria hold great potential to revolutionize conventional industries and farming practices with their light-driven chemical production. To fully exploit their photosynthetic capacity and enhance product yield, it is crucial to investigate their intricate interplay with the environment, in a particular light. Mathematical models provide valuable insights for optimising strategies in this pursuit. In this study, we present an ordinary differential equation-based model for cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 to assess its performance under various light sources, including monochromatic light. Our model accurately predicts the partitioning of electrons through four main pathways, O 2 evolution, and the rate of carbon fixation. Additionally, it successfully captures chlorophyll fluorescence signals, enabling valuable information extraction. We explore state transition mechanisms, favouring PSII quenching over PBS detachment based on theoretical evidence. Moreover, we evaluate metabolic control for biotechnological production under diverse light colours and irradiances. By offering a comprehensive computational model of cyanobacterial photosynthesis, our work enhances understanding of light-dependent cyanobacterial behaviour and supports optimising their metabolism for industrial applications.

Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) are essential nutrients that humans obtain from their diet, primarily through fish oil consumption. However, fish oil production is no longer sustainable. An alternative approach is to produce PUFAs through marine microalgae. Despite the potential of algae strains to accumulate high concentrations of PUFAs, including essential fatty acids (EFAs), many aspects of PUFA production by microalgae remain unexplored and their current production outputs are frequently suboptimal.

Abstract Cyanobacteria, as a substantial part of phytoplankton, play a key role in primary production in oceans and fresh waters. During their life, cyanobacteria cells needs to acclimate to a multitude of challenges, including shifts in a quality of underwater spectra. Recent progress in large scale environmental sampling and computational modelling provided insight into the effect of light spectrum on geographical distribution of cyanobacteria. However, detailed understanding to fitness advantage and limitations in the context of light quality has been missing. Here, we study photo-physiological acclimation in cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 through the whole range of photosynthetically active radiation (PAR). Using LEDs with qualitatively different narrow spectra, we describe wavelength dependency of light capture, electron transport rates and energy transduction to biomass, including fine-tuning processes such as state transitions and phycobilisomes attachment to photosystems. We show that growth was the most limited under blue light, due to extremely inefficient light harvesting. Even a low intensity of blue light induced PQ pool reduction and lead to the accumulation of reactive oxygen species. The PSI to PSII ratio was low under blue light, however, it was not the main limiting factor, since it was even more reduced under violet and near-far-red lights, where Synechocystis grew faster compared to blue light. Our results provide insight into the spectral dependency of growth in natural environments, and can provide a lead for light optimization in controlled cultivations.

Photoautotrophic growth depends upon an optimal allocation of finite cellular resources to diverse intracellular processes. Commitment of a certain mass fraction of the proteome to a specific cellular function, typically reduces the proteome available for other cellular functions. Here, we develop a minimal semi-quantitative kinetic model of cyanobacterial phototrophic growth to describe such trade-offs of cellular protein allocation. The model is based on coarse-grained descriptions of key cellular processes, in particular carbon uptake, metabolism, photosynthesis, and protein translation. The model is parametrized using literature data and experimentally obtained growth curves. Of particular interest are the resulting cyanobacterial growth laws as fundamental characteristics of cellular growth. We show that the model gives rise to similar growth laws as observed for heterotrophic organisms, with several important differences due to the distinction between light energy and carbon uptake. We discuss recent experimental data supporting the model results and show that minimal growth models have implications for our understanding of the limits of phototrophic growth and bridge a gap between molecular physiology and ecology.