微藻生物的基因组学和系统生物学
   
  

基因组学和系统生物学

目前对微藻中脂质、碳水化合物等物质的合成和调节机制的了解非常有限,而要实现微藻的大规模培养,必须对微藻的生长特性有深入了解,需要借助基因组,代谢物组学、脂质组学等高通量分析工具,同时详细分析研究细胞的不同代谢途径。

1 模式生物体的选择

由于微藻种族发育的多样性,有大量模式系统可供研究。但实际上只能对有限的几种进行深入研究。考虑因素除了藻类合成的燃料前体外,还有分子和生化技术操作的难易程度、转录能力等。

1.1 蓝细菌

蓝细菌细胞中虽然不含有油脂,但是可以产生大量碳水化合物和次级代谢产物,生长速度快,既可以固氮又可以产氢,是颇具潜力的生物燃料原料。蓝细菌与绿藻相比,最大的优点是基因操作简单,可进行系统的基因学分析并对代谢途径进行改造。

为使蓝细菌中碳源的分配对燃料生产有利,必须移除一些储存碳的化合物,并从细胞和分子水平研究这种操作对生物体的影响。在不同的压力环境下会有不同蓝细菌中会累积不同的碳化合物,通过对不同突变体的系统生物学研究,提高研究人员对碳代谢流的理解,进一步设计生物燃料生产生物体。

模式蓝细菌Synechocystis sp. PCC6803 有望成为氢气生产中碳代谢流研究的模式生物体。除了Synechocystis sp. PCC6803 外,其它几株具有出色遗传系统的菌株也在研究中, 如Synechococcus7002 的产氢和产乙醇的研究,Anabaena7120 的产氢研究等。

1.2 绿藻

研究广泛的绿藻模式藻株有Chlamydomonas reinhardtii,Chlorella,Dunaliella salina,等。

Chlamydomonas reinhardtii 是研究最为深入的原核藻类,已经完成基因组测序,转基因技术也相当成熟。叶绿体转导技术已经建立,叶绿体蛋白的表达系统也很稳定,没有实现核转导技术,且大部分基因都在细胞核中,这可能成为其分析发展的一个障碍。

Chlorella 是另一种研究深入的绿藻,其中许多藻株都富含油脂。C.protothecoides 在培养基中添加碳源时,可以诱导异源生长,生长速率和油脂产量都会提高,最终油脂产量可以达到干重的50%以上。

Dunaliella salina 有一些利于大规模生物燃料生产的特征。它能够产生丰富的油脂,耐盐(可生长在0.1M 到饱和盐溶液中),在这种极端环境中也减少了其它生物体污染的几率,目前研究针对Dunaliella salina 进行基因测序工作,也有相关基因改造的报道。

1.3 硅藻

硅藻是美国水生计划中研究的主要藻种,油脂含量高,适用于生物燃料生产。硅藻环境适应性强,并且固定了全球20%的碳。

硅藻的特点是其细胞壁中含有二氧化硅,培养基中需要含有硅作为其营养元素。硅元素的缺乏是硅藻脂质累积的诱导因素之一,因为微藻的硅代谢途径与其他营养元素的代谢没有偶联,也没有参与到细胞内大分子的合成中,因此以硅饥饿诱导脂质累积比其它方法要简单。

目前,已经有两株硅藻完成了基因组测序,另外四株的测序工作正在进行中,但这几项测序计划的研究焦点不是生物燃料。部分硅藻的转基因技术已经成熟,基因表达的调控元素也已经鉴定出来。随着基因沉默技术和同源同组技术的发展,很快就会研制出硅藻操作工具盒。

1.3.2 模式生物体选择标准

1.3.2.1 系统生物学发展的模式系统选择标准

目前两种模式系统供选择:1.可反映燃料合成前体的细胞内调节反应基础信息的藻种和藻株。2.具有规模化培养潜力的藻种和藻株。
选择具体藻种时需要考虑以下因素:
藻种产生的燃料类型/副产物,可能的燃料产物包括H2、油脂、类异戊二烯、
碳水化合物、乙醇、甲醇等。

产物/产物中间体的分泌方式,如果藻种产生的燃料(前体)为细胞外分泌,可以省去藻种收获这一步骤。当然这也有一些问题,比如必须使用密闭式光合反应器。关于大规模生产中不同分泌类型的优缺点还需要进一步论证。
过程工艺相关特性。

异养/混合营养生长方式,在培养基中加入碳源后,部分藻种的油脂累积会有所提高,但细胞对碳源的利用方式还不清楚。如果微藻可以利用碳源,就可以
实现在光照条件下,和黑暗中都能够生长。缺点是:培养基中添加碳源会增加培养基被其他微生物污染的几率。
1.3.2.2 基因测序藻类筛选条件

基因组大小和重复片段。
种属研究的必要性。

根据路线图建议基因组研究的藻种有:Chlorella sp., Dunaliella sp.,
Nannochloropsis sp., Scenedesmus sp., Chlorococcum sp.,Peudochlorococcum sp.和部分硅藻。另外,采用生物信息学手段对获得的基因组序列进行分析基因组研究是,需要设立标准,确保生物信息学分析的一致性和可靠性。