微藻生物的代谢途径和研究方向
   
  

代谢途径

1.2.1 研究现状

微藻油脂产量不能达到理论值也说明我们目前对微藻中三酰甘油的合成机制、碳代谢途径和碳流分配缺乏清晰的认识。

随着代谢流分析方法的飞速发展,代谢物组学在系统水平得到进一步发展,在微生物系统方面,可以实现通过基因组、转录组数据、代谢途径分析和预测模型重建微生物代谢网络,藻类生物体中许多代谢途径及参与代谢的酶类已经得到了详细阐述,但对脂质中的碳流和碳分配还知之甚少。

在植物和微藻中,淀粉都是普通的碳和能量贮藏物质,与脂质三酰甘油有共同的合成前体,因此有互相转化的可能。已有研究表明,某些植物在脂质累积期之前,淀粉的合成和代谢是最为活跃的代谢途径,即淀粉是很重要能量储存物质。

最近有研究表明,如果高等植物中的淀粉合成途径被阻断或者受到抑制,植物胚芽或种子中的油脂累积量会降低40%。这些都表明淀粉(碳水化合物)合成与油脂合成之间有紧密的联系。但其相互作用实质/性质还是未知的。

重要研究方向

光合作用中,微藻细胞如何控制碳的流动和碳在不同细胞器和主要大分子之间(如碳氢化合物、蛋白质和脂质)的分配。
控制碳在脂质和其他储存性产物中分配的调控网络。
对脂质代谢和淀粉代谢间关系的研究,研究内容为微藻细胞内淀粉的合成、降解及如何参与脂质代谢。

1.3 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。

1.3.1 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。

1.3.1.1 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。

1.3.1.2 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。

1.3.1.3 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。