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发明蓝光特异性诱导的工业微藻高产油技术

作者:张鹏   时间:2022-03-31   点击数:

微藻是地球上最主要的初级生产者之一,在全球碳循环中扮演重要角色。通过光合作用,微藻把光能和CO2转化为油脂(甘油三酯;TAG)等高能储碳物质,因此可在“碳固定”的同时助力“碳减排”。但是微藻切实服务双碳行动的潜力,一直受限于其油脂生产率、规模培养工艺等影响能源微藻经济性的关键因素。近日,青岛能源所单细胞中心在工业产油微藻(微拟球藻)中发现一种蓝光特异性诱导的油脂合成调控机制,并基于此发明了BLIO(Blue-Light Induced Oil synthesis)这一全新的“光控”高产油技术,将峰值油脂生产率提高了一倍。该工作于3月29日在线发表于《自然通讯》Nature Communications

BLIO技术助力微藻服务碳达峰与碳中和 (图/刘阳、张鹏)

研究人员早就知道,TAG的合成是微藻细胞针对环境胁迫的应激反应之一,例如,在缺氮胁迫时,微拟球藻等工业产油微藻能大量合成TAG,但培养基中的氮缺乏是如何与藻细胞中TAG的合成联系起来的呢?这一过程的分子机制一直难以捉摸,导致理性提高微藻TAG产率一直是业界难题。此外,从培养环境中去除氮这种传统的诱导产油方法,难以在大规模藻类培养中应用,因此,微藻产油过程仍然难以精确、灵活地控制。

单细胞中心博士后张鹏和副研究员辛一带领的研究小组,决心寻找一种更好的策略来调控微藻产油过程。十多年来,单细胞中心一直在研究一种工业产油微藻Nannochloropsis oceanica(海洋微拟球藻)。在世界各地各种规模的室内或室外培养设施中,微拟球藻能把阳光、海水和二氧化碳转化为高值油脂,因此引起了工业界的极大兴趣。

在寻觅诱导TAG合成新方法的这一漫长旅程中,这一研究小组最终发现了蓝光。他们在微拟球藻中,发现了一个前所未知的“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”通路。当培养环境中氮素丰富时,一个名为NobZIP77的蓝光感应转录因子,会通过与其目标DNA调控序列的结合,抑制NoDGAT2B等TAG合成酶的转录表达,从而关闭了微藻细胞中的TAG生产线。然而,当环境中氮素耗尽时,细胞中通常吸收蓝光的叶绿素a会减少,导致更多蓝光进入NobZIP77所在的细胞核。这样,暴露在蓝光下的NobZIP77会从其目标DNA调控序列上解离,因此NoDGAT2B等TAG合成酶的转录表达被“解锁”,从而触发微藻细胞中TAG的生产。

基于这些机制性的发现,该团队发明了名为BLIO(Blue-light Induced Oil synthesis)的蓝光特异性诱导高产油技术。运用青岛星赛公司的RACS-Seq系统,研究人员筛选了大量的工程藻株、培养条件和培养时间点的组合。在白光和氮素丰富的情况下,敲除了NobZIP77的微拟球藻工程株生物质产率没有降低,油脂产率却提高了两倍;而随着微藻逐渐消耗氮源,启动蓝光照射,导致TAG大幅度累积。与恒定白光下野生型微藻的培养过程相比,在峰值产油状态下,BLIO的TAG生产率提高了整整一倍。

“如此简洁高效的从光质感应到油脂合成的调控机制,以前并不为人所知,因此是一种令人兴奋的合成生物学模块雏形”该论文的通讯作者徐健研究员说。同时,作为一种理想的过程控制工具,光质具有调控方便、低成本、高时空精度、可扩展性强和高能量效率等优势,因此,“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”模块的揭示和BLIO技术的发明,为产油微藻的分子育种、光生物反应器设计、培养工艺优化等展示了一个新方向。

目前,单细胞中心研究人员正在针对发电厂排放CO2的规模化转化、人工生态系统中食品生产和氧气合成等特殊应用场景,进一步开发基于BLIO技术的超级光质感应微拟球藻和智能化光质调控微藻反应器。同时,这种联接光质感知和油脂合成的代谢调控模块,还存在于其它微藻和高等植物中,因此BLIO也有望作为一种共性的策略和工具,服务于绿色生物制造。

“碳达峰、碳中和”目标的提出,是中国应对全球气候问题的庄严承诺。微藻作为一种可在室外大规模培养的固碳细胞工厂,有望在双碳行动中发挥重要作用。针对微拟球藻,单细胞中心前期发表了基因敲低技术、基因编辑技术、染色体大片段切除技术等遗传操作工具,发明了一系列TAG分子理性设计技术,建立了基于拉曼组与机器学习的微藻种质挖掘新手段,发布了首个微藻拉曼组数据库,研制成功国内外首台高通量流式拉曼分选仪(FlowRACS)以服务于高通量的细胞代谢功能分析和分选,并主持建立了“微拟球藻设计与合成”国际合作计划(www.NanDeSyn.org)。这些努力从关键技术、仪器装备和信息系统等角度,推动了国内外微拟球藻研究与产业群体的资源共享与技术合作。此次蓝光特异性诱导高产油技术及其机制的发表,有望加速能源微藻分子育种和培养技术的突破,促进藻类为“双碳行动”做出特色贡献。

该工作由单细胞中心徐健研究员主持完成,得到了深圳大学胡强教授的帮助,获得了国家重点研发计划、中国自然科学基金、中国博士后科学基金、中国山东省自然科学基金和中国科学院战略重点研究计划的资助。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29337-x

Peng Zhang#, Yi Xin#, Yuehui He, Xianfeng Tang, Chen Shen, Qintao Wang, Nana Lv, Yun Li, Qiang Hu, Jian Xu*. Exploring a blue-light-sensing transcriptional factor to double the peak productivity of oil inNannochloropsis oceanicaNature Communications 2022, 13: 1664.

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