4月3日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該研究所單細胞中心在工業(yè)產(chǎn)油微藻（微擬球藻）中發(fā)現(xiàn)一種藍光特異性誘導(dǎo)的油脂合成調(diào)控機制，并基于此發(fā)明了BLIO（Blue-Light Induced Oil synthesis）這一全新的“光控”高產(chǎn)油技術(shù)，將峰值油脂生產(chǎn)率提高了一倍。該工作于近日在線發(fā)表于Nature Communications《自然通訊》。該工作由該研究所單細胞中心徐健研究員主持完成，得到了深圳大學(xué)胡強教授的幫助。
微藻是地球上最主要的初級生產(chǎn)者之一，在全球碳循環(huán)中扮演重要角色。通過光合作用，微藻把光能和CO2轉(zhuǎn)化為油脂（甘油三酯；TAg）等高能儲碳物質(zhì)，因此可在“碳固定”的同時助力“碳減排”。但是微藻切實服務(wù)雙碳行動的潛力，一直受限于其油脂生產(chǎn)率、規(guī)模培養(yǎng)工藝等影響能源微藻經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素。
BLIO技術(shù)助力微藻服務(wù)碳達峰與碳中和 ? ? （ 圖/劉陽 張鵬）據(jù)介紹，TAG的合成是微藻細胞針對環(huán)境脅迫的應(yīng)激反應(yīng)之一，但培養(yǎng)基中的氮缺乏如何與藻細胞中TAg的合成聯(lián)系起來一直未有定論。因此，理性提高微藻TAG產(chǎn)率一直是業(yè)界難題，同時，微藻產(chǎn)油過程也難以精確、靈活地控制。
記者了解到，在尋覓誘導(dǎo)TAG合成新方法的過程中，該研究所單細胞中心博士后張鵬和副研究員辛一帶領(lǐng)的研究小組在工業(yè)產(chǎn)油微藻Nannochloropsis?oceanica（海洋微擬球藻）中，發(fā)現(xiàn)了一個前所未知的“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”通路。當(dāng)培養(yǎng)環(huán)境中氮素豐富時，藍光感應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子NobZIP77會通過與目標DNA調(diào)控序列的結(jié)合，抑制NoDGAT2B等TAG合成酶的轉(zhuǎn)錄表達，從而關(guān)閉了TAg生產(chǎn)線。然而，當(dāng)環(huán)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(dǎo)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(diào)控序列上解離，因此NoDGAT2B等TAG合成酶的轉(zhuǎn)錄表達被“解鎖”，從而觸發(fā)TAG的生產(chǎn)。
基于上述發(fā)現(xiàn)，該研究團隊發(fā)明了名為BLIO的藍光特異性誘導(dǎo)高產(chǎn)油技術(shù)。運用青島星賽公司的RACS-Seq系統(tǒng)，研究人員篩選了大量的工程藻株、培養(yǎng)條件和培養(yǎng)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(zhì)產(chǎn)率沒有降低，油脂產(chǎn)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(dǎo)致TAG大幅度累積。與恒定白光下野生型微藻的培養(yǎng)過程相比，在峰值產(chǎn)油狀態(tài)下，BLIO的TAG生產(chǎn)率提高了整整一倍。
“如此簡潔高效的從光質(zhì)感應(yīng)到油脂合成的調(diào)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(xué)模塊雛形”該論文的通訊作者徐健說，同時，作為一種理想的過程控制工具，光質(zhì)具有調(diào)控方便、低成本、高時空精度、可擴展性強和高能量效率等優(yōu)勢，因此，“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”模塊的揭示和BLIO技術(shù)的發(fā)明，為產(chǎn)油微藻的分子育種、光生物反應(yīng)器設(shè)計、培養(yǎng)工藝優(yōu)化等展示了一個新方向。
目前，該研究所單細胞中心研究人員正在針對發(fā)電廠排放CO2的規(guī)?；D(zhuǎn)化、人工生態(tài)系統(tǒng)中食品生產(chǎn)和氧氣合成等特殊應(yīng)用場景，進一步開發(fā)基于BLIO技術(shù)的超級光質(zhì)感應(yīng)微擬球藻和智能化光質(zhì)調(diào)控微藻反應(yīng)器。同時，這種聯(lián)接光質(zhì)感知和油脂合成的代謝調(diào)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(wù)于綠色生物制造。
“碳達峰、碳中和”目標的提出，是中國應(yīng)對全球氣候問題的莊嚴承諾。微藻作為一種可在室外大規(guī)模培養(yǎng)的固碳細胞工廠，有望在雙碳行動中發(fā)揮重要作用。此次藍光特異性誘導(dǎo)高產(chǎn)油技術(shù)及其機制的發(fā)表，將加速能源微藻分子育種和培養(yǎng)技術(shù)的突破，促進藻類為“雙碳行動”做出特色貢獻。
