不同階段TAG合成的碳來源及主要代謝途徑的活性變化

面對能源短缺和環(huán)境污染兩大嚴(yán)峻問題，尋找可再生且對環(huán)境友好的新型能源迫在眉睫。微藻能源就被認(rèn)為是一種極具前景的新能源。

微擬球藻是一種單細(xì)胞藻類，廣泛分布于海水、淡水和微咸水中。其在缺氮脅迫下能大量合成油脂，這一應(yīng)激反應(yīng)是微藻能源的科學(xué)基礎(chǔ)之一。

近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞中心與德國魯爾大學(xué)植物生物化學(xué)系合作，針對微擬球藻，構(gòu)筑了缺氮脅迫下蛋白質(zhì)組動態(tài)模型，揭示了該應(yīng)激過程的三個生理階段，為油脂代謝工程提供了新的視角。該成果日前發(fā)表于《生物燃料技術(shù)》（Biotechnology for Biofuels）。

構(gòu)筑微擬球藻蛋白質(zhì)組動態(tài)模型

據(jù)該成果研究人員、單細(xì)胞中心魏力博士介紹，微擬球藻能夠在某些環(huán)境條件下以甘油三酯（TAG）的形式儲存所固定的太陽能與二氧化碳，具有生長迅速、甘油三酯含量高、富含多不飽和脂肪酸（PUFAs）等優(yōu)點。

此外，微擬球藻還具有減少二氧化碳等溫室氣體排放的能力，是生物燃料和生物材料的重要來源，在工業(yè)煙道氣處理和綠色能源方面有著廣闊的應(yīng)用前景。同時，微擬球藻基因組較小且為單倍體，便于進行遺傳操作。因此，微擬球藻逐漸成為真核微藻合成生物學(xué)研究的模式生物。

工業(yè)產(chǎn)油微藻在缺氮脅迫下的油脂積累過程，一直受到學(xué)界與工業(yè)界的密切關(guān)注。近十年來，已有數(shù)千篇相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表于國內(nèi)外專業(yè)期刊，且諸多研究已取得進步。

記者了解到，單細(xì)胞中心團隊已藉由過表達(dá)甘油三酯合成酶的方式實現(xiàn)了對微擬球藻油脂組分的定制，過表達(dá)RuBisCO提高了生物質(zhì)積累。美國科學(xué)家則通過降低另一種轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)使脂質(zhì)產(chǎn)量增加了一倍。

此前，單細(xì)胞中心已在轉(zhuǎn)錄組和代謝物組的基礎(chǔ)上構(gòu)建了其機制模型，然而，轉(zhuǎn)錄組層面和代謝物組層面的實驗數(shù)據(jù)存在重要差異，無法完全用基因表達(dá)到代謝調(diào)控之間的延遲解釋。這是由于從轉(zhuǎn)錄到代謝物變化的過程中仍受到蛋白質(zhì)層面的調(diào)控作用。現(xiàn)有的研究通常僅涉及一種調(diào)控水平，即單個基因的過表達(dá)或敲低。實際上，目前無論是微擬球藻，還是一般的含油微藻，對其蛋白質(zhì)水平上的代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機制都知之甚少。

針對這一問題，單細(xì)胞中心游武欣和魏力博士帶領(lǐng)的中德聯(lián)合研究小組，發(fā)表了微擬球藻缺氮脅迫下時間系列的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，結(jié)合相對應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組與代謝物組數(shù)據(jù)，應(yīng)用最新的統(tǒng)計分析方法，較為全面地揭示了細(xì)胞在缺氮脅迫下合成甘油三酯的過程特征。

研究人員發(fā)現(xiàn)，該過程可以分為三個階段。第一階段是缺氮初期。此時細(xì)胞感受到了外界環(huán)境中氮元素的缺乏，但由于細(xì)胞內(nèi)還有一定量的氮儲備，其代謝過程的變化不明顯。第二階段是缺氮中期。這一階段細(xì)胞保存的氮已大致消耗完，需要通過蛋白質(zhì)降解等方式來回收氨基酸中的氮，以維持細(xì)胞關(guān)鍵代謝過程的運轉(zhuǎn)，同時光合作用與脂質(zhì)代謝等過程也受到了不同程度的影響。第三階段為缺氮后期。細(xì)胞進一步提高蛋白質(zhì)降解的速率，而三羧酸循環(huán)與油脂合成的速率大幅上調(diào)，光合作用速率雖有所下降但仍在進行。

這一修正后的模型更加精確地刻畫了缺氮產(chǎn)油過程，并進一步證明甘油三酯從頭合成對油脂積累起著主導(dǎo)作用，而膜脂回收僅占脂質(zhì)積累的一小部分。

進一步提高油脂產(chǎn)率

研究團隊建立的新模型，不僅為定向調(diào)控微藻代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以提升油脂產(chǎn)率提供了一系列新的策略與目標(biāo)，也為微藻產(chǎn)油提高工業(yè)化產(chǎn)量奠定了研究基礎(chǔ)。

魏力告訴記者，工業(yè)產(chǎn)油微藻已受到各國的普遍重視。就產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀來看，目前，我國臺灣地區(qū)已試運行與發(fā)電廠相結(jié)合的微藻減碳處理項目；我國新奧能源控股公司已經(jīng)在內(nèi)蒙古建立了一個利用微藻生產(chǎn)生物柴油的商業(yè)工廠。而在全球范圍內(nèi)，包括傳統(tǒng)能源生產(chǎn)商在內(nèi)的數(shù)家公司都已經(jīng)建立了試驗基地及中等級別的藻類養(yǎng)殖場來生產(chǎn)生物燃料，例如，加利福尼亞州的ExxonMobile、德國的E.ON等。

“而關(guān)于微擬球藻的翻譯后修飾（PTM）領(lǐng)域研究尚是一片空白，對于微藻的PTM研究也鳳毛麟角。”游武欣補充道，“我們正在開拓這一全新的研究領(lǐng)域，以微擬球藻為模式生物，研究真核藻類碳代謝途徑上PTM的調(diào)節(jié)響應(yīng)機制。這項工作有助于填補目前關(guān)于微藻PTM領(lǐng)域研究的空白，也為提高微擬球藻碳固定和油脂轉(zhuǎn)化能力提供了新的研究方向。”

已有的微藻蛋白質(zhì)修飾的研究通常采用的方法局限于特定殘基上修飾的確認(rèn)和功能的推測。而在已構(gòu)建的蛋白質(zhì)組調(diào)控模型的基礎(chǔ)上，嘗試對不同環(huán)境條件下蛋白質(zhì)修飾的動態(tài)分析，將環(huán)境因子對蛋白質(zhì)修飾的影響作為影響代謝調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的重要因素之一納入考量，將為微藻PTM研究打開新的視角。