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微藻是地球上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，微藻將光能和CO2轉化為油脂（甘油三酯，TAG）等高能儲碳物質，可在“碳固定”的同時助力“碳減排”。然而，微藻切實服務“雙碳”行動的潛力，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，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞研究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，并基于此發明了全新的“光控”高產油技術BLIO（Blue-Light Induced Oil synthesis），將峰值油脂生產率提高了一倍。3月29日，相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
TAG的合成是微藻細胞針對環境脅迫的應激反應之一，而培養基中的氮缺乏如何與藻細胞中TAG的合成聯系起來，未有定論。因此，理性提高微藻TAG產率是業界難題，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，單細胞研究中心在工業產油微藻Nannochloropsis oceanica（海洋微擬球藻）中，發現了未知的“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，因而NoDGAT2B等TAG合成酶的轉錄表達被“解鎖”，進而觸發TAG的生產?！ ?/p>
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RACS-Seq系統，研究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”該論文通訊作者徐健研究員說。同時，作為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新方向。
目前，單細胞研究中心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，還存在于其他微藻和高等植物中，因此BLIO有望作為一種共性的策略和工具，服務于綠色生物制造。
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。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。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金、山東省自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項的支持。 |
