中科院生物能源與過程研究所：通過代謝工程提升工業產油微藻固定二氧化碳效率

【成果簡介】

工業產油微藻能通過光合作用將二氧化碳與光能大規模地轉化為油脂，因此作為一種清潔能源生產和二氧化碳高值化的潛在方案，在國內外受到了廣泛關注。針對如何提升工業產油微藻的固碳能力這一關鍵問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所示范了一種通過調控RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的激活酶來增強細胞固碳活性，從而大幅度提高微藻生物質與油脂產率的策略。該工作在線以題為“Enhancing photosynthetic biomass productivity of industrial oleaginous microalgae by overexpression of RuBisCO activase”發表在Algal Research上。

【圖文導讀】

圖1 示意圖

通過代謝工程提升工業產油微藻固定二氧化碳效率

圖2 性能表征

通過免疫金相顯微鏡定位分析N. oceanica中的nNoRca-like蛋白質。 從左至右：無抗體（A），在200 nm尺寸下有RCA抗體（B）或100 nm尺寸下（C）。有抗體的金顆粒用箭頭表示。

【研究內容】

工業產油微藻CO₂固定與轉化效率的大幅提升，是微藻能源產業實現經濟可行性的瓶頸之一，一直是學界與產業界的關注焦點。在藍細菌、萊茵衣藻等模式單細胞光合生物中，圍繞固碳能力提升，前期學界主要通過對光合作用中的固碳酶RuBisCO本身進行修飾，或通過調控碳酸酐酶等來提高RuBisCO周圍的CO₂濃度。但在工業產油微藻中，針對固碳能力的分子育種，則尚未有成功先例。

微擬球藻是一種可利用海水或淡水、在室外大規模培養的工業微藻，具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強、強勁積累油脂和高值不飽和脂肪酸等優點，因此已成為工業微藻分子育種的主要模式研究體系之一，也成為國內外許多微藻規模培養示范工程的優先選擇。

基于前期CO₂脅迫誘導下微擬球藻轉錄組研究，青島能源所單細胞中心功能基因組團隊的魏力、徐健等發現一個由細胞核基因組編碼的RuBisCO活化酶（nuclear-encoded RuBisCO activase，簡稱nRCA）在特定時間點顯著上調，預示其在細胞固定CO₂機制中起著重要作用。RuBisCO活化酶能影響RuBioCO的空間構型，阻止后者與其抑制物（磷酸糖）的結合，從而使后者保持活性狀態；Rubisco活化酶還具有ATP水解酶活性，能調控ATP/ADP比值變化，從而影響葉綠體內的能量平衡。

?研究人員發現，在空氣水平CO₂濃度下，與野生型相比，過表達該內源nRCA的微擬球藻藻株，其生長速率提高32%，生物質累積率提高46%，油脂產率提高41%。在光合自養條件下顯著提升生物質與油脂產率的同時，總脂中脂肪酸的組成卻基本未發生改變，從而實現了在保障油脂質量前提之下油脂生產強度的大幅提升。根據公開文獻，這是工業產油微藻中通過改造光合固碳途徑提高生物質與油脂產率的首次報導。?

RuBisCO是由大、小兩種，各八個亞基組成的多聚體，其分子量高達~500 kD。調控與改造這種高度精密的大型分子機器，通常具有相當的難度。最新工作表明，在工業產油微藻中，理性調控與設計以nRCA為代表的RuBisCO之“功能伴侶”，而非僅僅瞄準RuBisCO本身，將可能對CO₂固定、生物質合成乃至目標產物生產效率的提高起到“四兩撥千斤”的效果。預計此方法將成為設計與改造微藻光合固碳系統的高效策略之一。

在微藻細胞中，從CO₂到高含能或高值目標分子的轉化過程可大致劃分為“碳捕獲”、“碳分配”與“碳存儲”等三個關鍵環節。通過在“碳捕獲”環節運用上述策略進行成功改造，同時結合該團隊前期在下游兩個環節的機制研究與代謝工程，研究人員正在全方位、多位點地設計與構建“高效固碳、精準合成、規模培養”的“超級工業微藻細胞工廠”。

?研究得到了中科院“CO₂的人工生物轉化”重點部署項目、國家自然科學杰出青年基金等的支持。

原文鏈接：http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/20179414292372544768.shtm

文獻鏈接：Enhancing photosynthetic biomass productivity of industrial oleaginous microalgae by overexpression of RuBisCO activase?(ALGAL RES., 2017, DOI : https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.07.023)

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