工業產油微藻可通過光合作用, 將二氧化碳和水規模化, 直接地合成為高能量密度的油脂分子. 甘油三酯上脂肪酸碳鏈的飽和度, 則決定了藻油是適合用於生物柴油, 還是適合作為營養品. 因此, 飽和度是決定藻油的品質, 用途與經濟價值的最關鍵因素之一. 但是, 能否基於工業微藻底盤細胞, 實現藻油飽和度的理性設計呢? 中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心率領的包括美國馬里蘭大學, 北京大學, 中科院水生生物研究所等在內的國際合作團隊, 通過闡明與調控微擬球藻中一系列內源II型二醯甘油醯基轉移酶 (DGAT2) 的分工與合作機制, 證明工業微藻的藻油飽和度能夠定製化地人工設計, 從而將微藻細胞工廠推入 '藻油品質定製化' (Designer Oil) 時代. 該工作於10月27日線上發表於Molecular Plant.
微擬球藻是一種在世界各地均可在室外大規模培養的工業微藻, 它們具有生長速度快, 二氧化碳耐受能力強, 強勁積累油脂, 海水淡水均可培養等突出優點, 因此已成為國內外生物能源領域的主要研究模式與產業代表藻種之一. 微擬球藻藻油中同時含有飽和脂肪酸 (SFA) , 單不飽和脂肪酸 (MUFA) 與多不飽和脂肪酸 (PUFA) . 如果MUFA含量高, 藻油適合作為優質液體燃料, 服務於能源市場; 而如果PUFA (如EPA等) 含量高, 藻油則更適合作為人體保健品, 服務於營養品與食品市場. 因此, 如果能夠在同一底盤細胞中實現SFA, MUFA, PUFA比例的人為調控甚至理性設計, 就能實現藻油品質, 用途與價值的高度可控與靈活切換. 這一細胞工廠特性對於適應多變的生物能源市場需求, 最大程度降低產品生產與切換的成本具有重要意義, 同時對於在嚴酷極端環境 (如火星等) 下構建基於二氧化碳的 '單碳光合多聯產模式' , 靈活可控地合成人類生存必需的能源, 材料與食品具有特殊的戰略價值.
單細胞中心等前期發現, 在海洋微擬球藻基因組中編碼有多達11個II型二醯甘油醯基轉移酶編碼基因 (DGAT2) , 它們催化甘油三酯合成中的最後一步也是關鍵一步. 動物和高等植物中常常只有1-2個DGAT2, 為何海洋微擬球藻具有超出已知所有物種的DGAT2家庭成員數目呢? 為了解答上述問題, 研究人員通過在酵母中的表達與功能分析, 在體外的酶活鑒定, 進而在微擬球藻中的過表達與基因敲低等層層深入的實驗策略, 發現其中DGAT2A, DGAT2D與DGAT2C 具有TAG合成酶活性, 而且這三個DGAT2家庭成員分別偏好飽和, 單不飽和和多不飽和的脂醯CoA底物. 基於此, 研究人員提出了比前期工作 (Li, et al, Plant Cell, 2014) 深入了一大步的油脂合成機制模型, 認為其中分別來自於三個不同祖先的DGAT2A, DGAT2D與DGAT2C, 在長期的共進化過程中, 形成了迥異卻互補的底物偏好性, 而且在TAG合成的流水線上進行著精妙的功能分工與時空協作.
令人驚奇的是, DGAT2A, DGAT2D與DGAT2C轉錄本的相對丰度與TAG上SFA, MUFA與PUFA的比例呈現正相關, 預示著一個精妙卻簡潔的藻油飽和度控制機制. 利用這一點, 研究人員更進一步, 通過人為控制DGAT2A, DGAT2D與DGAT2C三者間轉錄本的相對丰度, 實現了藻油中SFA, MUFA與PUFA比重的理性設計, 從而生產出了飽和度 '定製化' 的藻油. 這近二十株微擬球藻工程株的TAG產品中, SFA, MUFA與PUFA比重的變化幅度分別達到了1.3倍, 3.7倍與 11.2倍, 說明在單一工業微藻底盤上, 藻油作為燃料或營養品的用途與價值具有良好的可控性與可塑性.
本工作是青島能源所徐健, 馬里蘭大學李彥濤和北京大學劉進等實驗室合作完成的, 並得到了水生所胡強和胡晗華等研究員的幫助. 論文共同一作是青島能源所單細胞中心的辛一, 路延篤和馬里蘭大學的Yi-Ying Lee. 本論文及其前期工作得到了國家傑出青年基金, 科技部863合成生物學專項, 中科院含碳氣體生物製造項目, 山東省自然科學青年基金和美國自然科學基金委的支援.
