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开发脂肪酸链长精准可调的工业产油微藻

作者:   时间:2021-04-14   点击数:

脂肪酸在细胞中以能量存储分子、膜脂、信号分子等形式普遍存在,并广泛应用于生物燃料、营养与健康、材料化工等产业。作为末端含有一个羧基的脂肪族碳氢链,碳链长度是决定脂肪酸功能、价值和用途的关键因素之一。近日,青岛能源所单细胞中心开发了脂肪酸“全链长范围”、“单元链长精度”精准可调的工业产油微藻,并提出了工业微藻中脂肪酸链长调控的分子机制模型(图一)。这一原创成果发表于《代谢工程》(Metabolic Engineering)。

图一、在单细胞中心开发的海洋微拟球藻中,脂肪酸分子就像孙悟空手中的金箍棒,其长度精准可调。

基于碳链长度,脂肪酸可分为短链、中链、长链和超长链四类。超长链脂肪酸如花生四烯酸(ARA)和二十碳五烯酸(EPA)等是人类和动物的营养补充剂,而长链和中链脂肪酸不仅是动植物脂肪的主要成分,也是抗菌剂、润滑油、洗涤剂、表面活性剂和生物柴油等诸多工业产品的关键成分。同时,每种链长的脂肪酸都有其特殊的功能。因此,可持续和环境友好的脂肪酸生产,依赖于“全链长范围”、“单元链长精度”精准可调的脂肪酸细胞工厂。

作为一种“负碳”的细胞工厂,工业微藻能够在光能驱动下,将二氧化碳和水规模化地转化成各种链长的脂肪酸(从C8到C22以上),但每种工业微藻的脂肪酸链长组成通常稳定且具物种特异性,因而难以灵活可控地合成各种链长的脂肪酸分子。针对此瓶颈问题,单细胞中心的王勤涛助理研究员和大连理工大学的冯延宾副教授带领的研究小组,在工业产油微藻——海洋微拟球藻中,发现一个定位于细胞质中属于PKS系统的二类酯酰-ACP硫酯酶NoTE1,能提高C16和C18的含量并降低C20的含量,从而可用于理性调控长链和超长链脂肪酸的相对含量。

进一步,研究人员发现来自一种高等植物湿地萼距花(Cuphea palustris)的硫酯酶CpTE,能够大幅提升C8和C10等中链脂肪酸在微拟球藻细胞中的比重。因此,大范围筛选不同物种来源的硫酯酶,对于脂肪酸细胞工厂的构建,具有重要意义。

但是,CpTE的天然结构决定了其对于C8和C10的偏好性,因此难以调控C12的含量。针对此问题,研究人员利用酶工程,理性改造了CpTE与底物链长选择性相关的结构域,成功地将其底物偏好性从C8和C10变成了C12。进一步实验证实,此命名为mCpTE的新酶能大幅度提高微拟球藻中C12的含量。

因此,研究人员联合运用代谢工程和蛋白质工程,首次实现了微藻中“全链长范围”、“单元链长精度”的脂肪酸含量调控(图一)。在此基础上,还提出了微拟球藻合成脂肪酸的分子机制模型:细胞利用PKS途径、去饱和延伸途径、FAS系统等三条脂肪酸合成途径,分别修饰不同碳链长度脂肪酸的链长。这一机制模型为针对脂肪酸链长的工业产油微藻分子育种,提供了新颖的实验依据和理论基础。

在海洋微拟球藻中,单细胞中心前期已示范了基于不同饱和度的脂肪酸分子来合成“定制化油脂分子”(Xin, et al,Molecular Plants,2017,2019),当前这些发现则进一步证明了理性调控脂肪酸链长的可行性。这一系列较为系统的研究工作,展示了微拟球藻作为一种“负碳”油脂细胞工厂服务于生物燃料、营养与健康、材料化工等产业的巨大潜力。

该工作由单细胞中心徐健研究员和大连理工大学的薛松教授主持完成,得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等的资助。

原文链接:

Qintao Wang#, Yanbin Feng#, Yandu Lu, Yi Xin, Chen Shen, Li Wei, Yuxue Liu, Nana Lv, Xuefeng Du, Wenqiang Zhu, Byeong-ryool Jeong, Song Xue*, Jian Xu*. Manipulating fatty-acid profile at unit chain-length resolution in the model industrial oleaginous microalgaeNannochloropsis.Metabolic Engineering2021, 66: 157-166. 链接


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