青島能源所發明藍光特異性誘導的工業微藻高產油技術

文章來源:青島生物能源與過程研究 發布時間:2022/04/06

       微藻是地球上最主要的初級生產者之一,在全球碳循環中扮演重要角色。通過光合作用,微藻把光能和CO2轉化為油脂(甘油三酯;TAG)等高能儲碳物質,因此可在“碳固定”的同時助力“碳減排”。但是微藻切實服雙碳行動的潛力,一直受限于其油脂生產率、規模培養工藝等影響能源微藻經濟性的關鍵因素。近日,青島能源所單細胞中心在工業產油微藻(微擬球藻)中發現一種藍光特異性誘導的油脂合成調控機制,并基于此發明了BLIO(Blue-Light Induced Oil synthesis)這一全新的“光控”高產油技術,將峰值油脂生產率提高了一倍。該工作于3月29日在線發表于Nature Communications《自然通訊》。

  BLIO技術助力微藻服務碳達峰與碳中和

      TAG的合成是微藻細胞針對環境脅迫的應激反應之一,但培養基中的氮缺乏如何與藻細胞中TAG的合成聯系起來一直未有定論。因此,理性提高微藻TAG產率一直是業界難題,同時,微藻產油過程也難以精確、靈活地控制。

  在尋覓誘導TAG合成新方法的過程中,單細胞中心博士后張鵬和副研究員辛一帶領的研究小組在工業產油微藻Nannochloropsis oceanica(海洋微擬球藻)中,發現了一個前所未知的“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”通路。當培養環境中氮素豐富時,藍光感應轉錄因子NobZIP77會通過與目標DNA調控序列的結合,抑制NoDGAT2B等TAG合成酶的轉錄表達,從而關閉了TAG生產線。然而,當環境中氮素耗盡時,細胞中通常吸收藍光的葉綠素a會減少,導致更多藍光進入NobZIP77所在的細胞核。這樣,暴露在藍光下的NobZIP77會從其目標DNA調控序列上解離,因此NoDGAT2B等TAG合成酶的轉錄表達被“解鎖”,從而觸發TAG的生產。

  基于上述發現,該團隊發明了名為BLIO的藍光特異性誘導高產油技術。運用青島星賽公司的RACS-Seq系統,研究人員篩選了大量的工程藻株、培養條件和培養時間點的組合。在白光和氮素豐富的情況下,敲除了NobZIP77的微擬球藻工程株生物質產率沒有降低,油脂產率卻提高了兩倍;而隨著微藻逐漸消耗氮源,啟動藍光照射,導致TAG大幅度累積。與恒定白光下野生型微藻的培養過程相比,在峰值產油狀態下,BLIO的TAG生產率提高了整整一倍。

  “如此簡潔高效的從光質感應到油脂合成的調控機制,以前并不為人所知,因此是一種令人興奮的合成生物學模塊雛形”該論文的通訊作者徐健研究員說。同時,作為一種理想的過程控制工具,光質具有調控方便、低成本、高時空精度、可擴展性強和高能量效率等優勢,因此,“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”模塊的揭示和BLIO技術的發明,為產油微藻的分子育種、光生物反應器設計、培養工藝優化等展示了一個新方向。

  目前,單細胞中心研究人員正在針對發電廠排放CO2的規?;D化、人工生態系統中食品生產和氧氣合成等特殊應用場景,進一步開發基于BLIO技術的超級光質感應微擬球藻和智能化光質調控微藻反應器。同時,這種聯接光質感知和油脂合成的代謝調控模塊,還存在于其它微藻和高等植物中,因此BLIO也有望作為一種共性的策略和工具,服務于綠色生物制造。

  “碳達峰、碳中和”目標的提出,是中國應對全球氣候問題的莊嚴承諾。微藻作為一種可在室外大規模培養的固碳細胞工廠,有望在雙碳行動中發揮重要作用。此次藍光特異性誘導高產油技術及其機制的發表,將加速能源微藻分子育種和培養技術的突破,促進藻類為“雙碳行動”做出特色貢獻。

  該工作由單細胞中心徐健研究員主持完成,得到了深圳大學胡強教授的幫助,獲得了國家重點研發計劃、中國自然科學基金、中國博士后科學基金、中國山東省自然科學基金和中國科學院戰略重點研究計劃的資助。(文/張鵬 圖/劉陽 張鵬)

  原文鏈接:

  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 in Nannochloropsis oceanicaNature Communications 2022, 13: 1664. 

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