Nature Communications:开发了蓝光特异性诱导的工业微藻高产油技术

微藻是地球上主要的初级生产者之一，在全球碳循环中起着重要的作用。通过光合作用，微藻可以将光能和CO2转化为甘油三酯(TAG)等高能储碳物质，可以固定碳，有助于减少碳排放。然而，微藻有效服务于“两碳”行动的潜力受到影响能源微藻经济性的关键因素的限制，如其产油率和大规模培养技术。近日，中科院青岛生物能源与过程研究所单细胞研究中心在工业产油微藻(微囊藻)中发现了一种蓝光特异性诱导油脂合成的调控机制，并在此基础上发明了一种新型光控高产油脂合成技术Blio(蓝光诱导油脂合成)，使峰值油脂产率提高了一倍。3月29日，相关研究成果在线发表于《自然-通讯》 (Nature Communications)。

TAG的合成是微藻细胞对环境胁迫的应激反应之一，但培养基中的氮缺乏与微藻细胞中TAG的合成如何相关尚未确定。因此，合理提高微藻的TAG产量是一个行业难题，对微藻的产油过程难以进行精确灵活的控制。单细胞研究中心在寻找诱导TAG合成新方法的过程中，在工业产油微藻海洋微绿球藻中发现了BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B的未知途径。当培养环境富含氮时，蓝光诱导的转录因子NobZIP77通过与靶DNA调控序列结合，抑制NoDGAT2B等标签合成酶的转录表达，从而关闭标签生产线。但是，当环境中的氮耗尽时，细胞中通常吸收蓝光的叶绿素a就会减少，导致更多的蓝光进入NobZIP77所在的细胞核。这样，暴露在蓝光下的NobZIP77将与其靶DNA调控序列解离，从而解锁NoDGAT2B等TAG合成酶的转录表达，从而触发TAG的产生。

基于上述发现，该团队发明了BLIO，一种蓝光专用的高产油诱导技术。利用RACS-Seq系统，对大量工程藻菌株、培养条件和培养时间点的组合进行了研究和筛选。在充足的白光和氮气条件下，不含NobZIP77的小叶微球菌工程菌株的生物量产量没有降低，但产油量提高了2倍。随着微藻对氮源的逐渐消耗，开始蓝光照射，导致TAG大量积累。与野生微藻在恒定白光下的培养过程相比，BLIO在产油高峰状态下的TAG生产力提高了一倍。

论文通讯作者徐健研究员说，从光纹理到油合成的如此简单高效的调控机制以前还不知道，因此它是一个令人兴奋的合成生物学模块原型。同时，作为一种理想的过程控制工具，光质具有调控方便、成本低、时空精度高、可扩展性强、能效高等优点。因此，蓝光-NobZIP77-NoDGAT2B模块的揭示和BLIO技术的发明为产油微藻的分子育种、光生物反应器设计和培养工艺优化指明了新的方向。

目前，单细胞研究中心正在进一步开发超轻质感微囊藻。以及针对电厂排放的CO2大规模转化、食品生产、人工生态系统氧气合成等特殊应用场景，基于BLIO技术的智能光质控制微藻反应器。同时，这种连接光感知和油脂合成的代谢调节模块也存在于其他微藻和高等植物中，因此BLIO有望作为绿色生物制造的常用策略和工具。

微藻作为一种可以在室外大规模培养的固碳细胞工厂，有望在“双碳”运动中发挥重要作用。蓝光诱导高产油技术及其机理的发表，将加速基因分子育种和栽培技术的突破