葡萄糖環(huán)境藻細(xì)胞在光照條件可以比無光照獲得更高的速率

在光照及非光照情況下第2、4和8天小球藻培養(yǎng)液的顏色變化圖

微藻在新能源領(lǐng)域和食品與生物工業(yè)中的應(yīng)用極具前景,而高效培養(yǎng)方式是突破微藻產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵所在。多年來,人們?cè)噲D通過對(duì)光生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化,提高光合效率,從而增加微藻產(chǎn)量,但是效果并不顯著。而某些微藻,如小球藻,既能夠通過光合作用生長,也可以利用有機(jī)碳源生長,尤其在富含有機(jī)物的環(huán)境中,小球藻的生長速率快于單純光自養(yǎng)數(shù)倍,甚至數(shù)十倍,這種特性使微藻細(xì)胞的高密度培養(yǎng)成為可能。

2015年10月7日,Scientific Reports在線刊登了北京大學(xué)工學(xué)院陳峰課題組的研究論文Light attenuates lipid accumulation while enhancing cell proliferation and starch synthesis in the glucose-fed oleaginous microalga Chlorella zofingiensis。該論文在小球藻混合培養(yǎng)機(jī)制中有重要發(fā)現(xiàn)。在葡萄糖環(huán)境下,藻細(xì)胞分裂在光照條件下獲得較高的生長速率,同時(shí)生物量的積累效率也高于異養(yǎng)(無光照),但是光照可以抑制脂肪酸合成相關(guān)基因的表達(dá),并誘導(dǎo)更多碳流向淀粉合成轉(zhuǎn)化,從而降低細(xì)胞內(nèi)油脂合成效率。該研究結(jié)果揭示了光照在小球藻高效混合培養(yǎng)中的雙向效果及內(nèi)在機(jī)制,為工程化培養(yǎng)小球藻提供了理論依據(jù)。

在光照及非光照情況下第2、4和8天小球藻培養(yǎng)液的顏色變化圖
 在光照及非光照情況下第2、4和8天小球藻培養(yǎng)液的顏色變化圖

 

生長在葡萄糖培養(yǎng)基中小球藻在光照及非光照情況下細(xì)胞內(nèi)油脂染色圖
 生長在葡萄糖培養(yǎng)基中小球藻在光照及非光照情況下細(xì)胞內(nèi)油脂染色圖
  
生長在葡萄糖培養(yǎng)基中小球藻在光照及非光照情況下細(xì)胞油脂及淀粉含量隨時(shí)間變化圖
 生長在葡萄糖培養(yǎng)基中小球藻在光照及非光照情況下細(xì)胞油脂及淀粉含量隨時(shí)間變化圖

    此外,最近美國化學(xué)會(huì)(ACS)期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry刊登了陳峰課題組在微藻多不飽和脂肪酸合成調(diào)控方面的另一成果Sesamol enhances cell growth and the biosynthesis and accumulation of docosahexaenoic acid in the microalga Crypthecodinium cohnii(2015,63,5640-5645)。該研究創(chuàng)造性地利用抗氧化劑(芝麻酚)降低海洋微藻Crypthecodinium cohnii細(xì)胞中的ROS水平,從而提高藻細(xì)胞密度及二十二碳六烯酸(DHA)的合成。該結(jié)果為微藻DHA工業(yè)的優(yōu)化提供了新思路。

 

隱甲藻DHA的可能生物合成途徑
 隱甲藻DHA的可能生物合成途徑
 

 

在不同芝麻酚濃度作用下隱甲藻細(xì)胞尼羅紅染色熒光(上)及白光(下)圖
 在不同芝麻酚濃度作用下隱甲藻細(xì)胞尼羅紅染色熒光(上)及白光(下)圖

    在上游藻種的分子遺傳方面,陳峰課題組也取得了重要進(jìn)展。微藻領(lǐng)域的權(quán)威雜志Algal Research近期報(bào)道了陳峰課題組的研究性論文Development of a stable genetic system for Chlorella vulgaris—A promising green alga for CO2 biomitigation(2015,12,134-141)。該研究通過分子遺傳標(biāo)記篩選,利用PEG轉(zhuǎn)化法,首次將報(bào)告基因——增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(EGFP)基因?qū)氲叫∏蛟寤蚪M中,成功建立了一套穩(wěn)定有效的小球藻外源基因轉(zhuǎn)化體系。該遺傳體系的建立,可為今后通過分子改造技術(shù)提高小球藻的光合固碳能力、實(shí)質(zhì)性的解決其光合效率的瓶頸問題提供良好的研究基礎(chǔ)。同時(shí),報(bào)告基因EGFP在活體藻細(xì)胞中的可見表達(dá),也為微藻細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位研究提供了一定的思路。

上述三項(xiàng)研究的第一作者分別為博士后陳天鵬、博士研究生劉賓及博士生楊博,通訊作者均為陳峰。該項(xiàng)目得到國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、國家科技部“863”項(xiàng)目、國家海洋局公益項(xiàng)目及北京大學(xué)“985”項(xiàng)目的資助。

編輯:白楊

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