微藻是地球上最主要的初级生产者之一，在全球碳循环中扮演重要角色。通过光合作用，微藻把光能和CO2转化为油脂（甘油三酯；TAG）等高能储碳物质，因此可在“碳固定”的同时助力“碳减排”。但是微藻切实服务双碳行动的潜力，一直受限于其油脂生产率、规模培养工艺等影响能源微藻经济性的关键因素。近日，青岛能源所单细胞中心在工业产油微藻（微拟球藻）中发现一种蓝光特异性诱导的油脂合成调控机制，并基于此发明了BLIO（Blue-Light Induced Oil synthesis）这一全新的“光控”高产油技术，将峰值油脂生产率提高了一倍。该工作于3月29日在线发表于Nature Communications《自然通讯》。
BLIO技术助力微藻服务碳达峰与碳中和
TAG的合成是微藻细胞针对环境胁迫的应激反应之一，但培养基中的氮缺乏如何与藻细胞中TAG的合成联系起来一直未有定论。因此，理性提高微藻TAG产率一直是业界难题，同时，微藻产油过程也难以精确、灵活地控制。
在寻觅诱导TAG合成新方法的过程中，单细胞中心博士后张鹏和副研究员辛一带领的研究小组在工业产油微藻Nannochloropsis oceanica（海洋微拟球藻）中，发现了一个前所未知的“BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B”通路。当培养环境中氮素丰富时，蓝光感应转录因子NobZIP77会通过与目标DNA调控序列的结合，抑制NoDGAT2B等TAG合成酶的转录表达，从而关闭了TAG生产线。然而，当环境中氮素耗尽时，细胞中通常吸收蓝光的叶绿素a会减少，导致更多蓝光进入NobZIP77所在的细胞核。这样，暴露在蓝光下的NobZIP77会从其目标DNA调控序列上解离，因此NoDGAT2B等TAG合成酶的转录表达被“解锁”，从而触发TAG的生产。
基于上述发现，该团队发明了名为BLIO的蓝光特异性诱导高产油技术。运用青岛星赛公司的RACS-Seq系统，研究人员筛选了大量的工程藻株、培养条件和培养时间点的组合。在白光和氮素丰富的情况下，敲除了NobZIP77的微拟球藻工程株生物质产率没有降低，油脂产率却提高了两倍；而随着微藻逐渐消耗氮源，启动蓝光照射，导致TAG大幅度累积。与恒定白光下野生型微藻的培养过程相比，在峰值产油状态下，BLIO的TAG生产率提高了整整一倍。
“如此简洁高效的从光质感应到油脂合成的调控机制，以前并不为人所知，因此是一种令人兴奋的合成生物学模块雏形”该论文的通讯作者徐健研究员说。同时，作为一种理想的过程控制工具，光质具有调控方便、低成本、高时空精度、可扩展性强和高能量效率等优势，因此，“BlueLight-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、培养工艺优化等展示了一个新方向。
目前，单细胞中心研究人员正在针对发电厂排放CO2的规模化转化、人工生态系统中食品生产和氧气合成等特殊应用场景，进一步开发基于BLIO技术的超级光质感应微拟球藻和智能化光质调控微藻反应器。同时，这种联接光质感知和油脂合成的代谢调控模块，还存在于其它微藻和高等植物中，因此BLIO也有望作为一种共性的策略和工具，服务于绿色生物制造。
“碳达峰、碳中和”目标的提出，是中国应对全球气候问题的庄严承诺。微藻作为一种可在室外大规模培养的固碳细胞工厂，有望在双碳行动中发挥重要作用。此次蓝光特异性诱导高产油技术及其机制的发表，将加速能源微藻分子育种和培养技术的突破，促进藻类为“双碳行动”做出特色贡献。
该工作由单细胞中心徐健研究员主持完成，得到了深圳大学胡强教授的帮助，获得了国家重点研发计划、中国自然科学基金、中国博士后科学基金、中国山东省自然科学基金和中国科学院战略重点研究计划的资助。（文/张鹏 图/刘阳 张鹏）
原文链接：
Peng Zhang#, Yi Xin#, Yuehui He, Xianfeng Tang, Chen Shen, Qintao Wang, Nana Lv, Yun Li, Qiang Hu, Jian Xu*. Exploring a blue-light-sensing transcriptional factor to double the peak productivity of oil in Nannochloropsis oceanica. Nature Communications 2022, 13: 1664.
