工業(yè)產(chǎn)油微藻能通過光合作用將二氧化碳與光能大規(guī)模地轉(zhuǎn)化為油脂，因此作為一種清潔能源生產(chǎn)和二氧化碳高值化的潛在方案，在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。針對如何提升工業(yè)產(chǎn)油微藻的固碳能力這一關(guān)鍵問題，青島能源所示范了一種通過調(diào)控RuBisCO（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）的激活酶來增強(qiáng)細(xì)胞固碳活性，從而大幅度提高微藻生物質(zhì)與油脂產(chǎn)率的策略。該工作已在線發(fā)表于Algal Research。
工業(yè)產(chǎn)油微藻CO2固定與轉(zhuǎn)化效率的大幅提升，是微藻能源產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行性的關(guān)鍵與主要瓶頸之一，因此一直是學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點。在藍(lán)細(xì)菌、萊茵衣藻等模式單細(xì)胞光合生物中，圍繞固碳能力提升，前期學(xué)界主要通過對光合作用中的固碳酶RuBisCO本身進(jìn)行修飾，或通過調(diào)控碳酸酐酶等來提高RuBisCO周圍的CO2濃度。但是在工業(yè)產(chǎn)油微藻中，針對固碳能力的分子育種，則尚未有成功先例。
微擬球藻是一種可利用海水或淡水、在室外大規(guī)模培養(yǎng)的工業(yè)微藻，具有生長速度快、二氧化碳耐受能力強(qiáng)、強(qiáng)勁積累油脂和高值不飽和脂肪酸等優(yōu)點，因此已經(jīng)成為工業(yè)微藻分子育種的主要模式研究體系之一，同時也成為國內(nèi)外許多微藻規(guī)模培養(yǎng)示范工程的優(yōu)先選擇。
基于前期CO2脅迫誘導(dǎo)下微擬球藻轉(zhuǎn)錄組研究，青島能源所單細(xì)胞中心功能基因組團(tuán)隊的魏力、徐健等發(fā)現(xiàn)一個由細(xì)胞核基因組編碼的RuBisCO活化酶（nuclear-encoded RuBisCO activase，簡稱nRCA）在特定時間點顯著上調(diào)，預(yù)示其在細(xì)胞固定CO2機(jī)制中起著重要作用。RuBisCO活化酶能影響RuBioCO的空間構(gòu)型，阻止后者與其抑制物（磷酸糖）的結(jié)合，從而使后者保持活性狀態(tài)；同時Rubisco活化酶還具有ATP水解酶活性，能調(diào)控ATP/ADP比值變化，從而影響葉綠體內(nèi)的能量平衡。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在空氣水平CO2濃度下，與野生型相比，過表達(dá)該內(nèi)源nRCA的微擬球藻藻株，其生長速率提高32%，生物質(zhì)累積率提高46%，油脂產(chǎn)率提高41%。在光合自養(yǎng)條件下顯著提升生物質(zhì)與油脂產(chǎn)率的同時，總脂中脂肪酸的組成卻基本未發(fā)生改變，從而實現(xiàn)了在保障油脂質(zhì)量前提之下油脂生產(chǎn)強(qiáng)度的大幅提升。根據(jù)公開文獻(xiàn)調(diào)研，這是工業(yè)產(chǎn)油微藻中通過改造光合固碳途徑提高生物質(zhì)與油脂產(chǎn)率的首次報導(dǎo)。
RuBisCO是由大、小兩種，各八個亞基組成的多聚體，其分子量高達(dá)~500 kD。調(diào)控與改造這種高度精密的大型分子機(jī)器，通常具有相當(dāng)?shù)碾y度。然而單細(xì)胞中心的這一最新工作表明，在工業(yè)產(chǎn)油微藻中，理性調(diào)控與設(shè)計以nRCA為代表的RuBisCO之“功能伴侶”，而非僅僅瞄準(zhǔn)RuBisCO本身，將可能對CO2固定、生物質(zhì)合成乃至目標(biāo)產(chǎn)物生產(chǎn)效率的提高起到“四兩撥千斤”的效果。預(yù)計此方法將成為設(shè)計與改造微藻光合固碳系統(tǒng)的高效策略之一。
在微藻細(xì)胞中，從CO2到高含能或高值目標(biāo)分子的轉(zhuǎn)化過程可大致劃分為“碳捕獲”、“碳分配”與“碳存儲”等三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過在“碳捕獲”環(huán)節(jié)運用上述策略進(jìn)行成功改造，同時結(jié)合該團(tuán)隊前期在下游兩個環(huán)節(jié)的機(jī)制研究與代謝工程，研究人員正在全方位、多位點地設(shè)計與構(gòu)建“高效固碳、精準(zhǔn)合成、規(guī)模培養(yǎng)”的“超級工業(yè)微藻細(xì)胞工廠”。
這一研究得到了中國科學(xué)院“CO2的人工生物轉(zhuǎn)化”重點部署項目、國家自然科學(xué)杰出青年基金等的支持。（文/圖 魏力）
附錄：
Li Wei, Qintao Wang, Yi Xin, Yandu Lu, Jian Xu, Enhancing photosynthetic biomass productivity of industrial oleaginous microalgae by overexpression of RuBisCO activase. Algal Research, 2017. https://doi.org/10.1016/j.algal.2017.07.023
