工業(yè)產(chǎn)油微藻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。青島能源所單細(xì)胞中心針對(duì)微擬球藻，構(gòu)筑了缺氮脅迫下蛋白質(zhì)組動(dòng)態(tài)模型，揭示了該應(yīng)激過程的三個(gè)生理階段，為油脂代謝工程提供了新的視角。該工作發(fā)表于《生物燃料技術(shù)》（Biotechnology for Biofuels）。
工業(yè)產(chǎn)油微藻在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。前期單細(xì)胞中心基于轉(zhuǎn)錄組和代謝物組構(gòu)建了其機(jī)制模型（Plant Cell, 2014，DOI:10.1105/tpc.113.121418），然而，轉(zhuǎn)錄組層面和代謝物組層面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在著重要差異，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。
針對(duì)這一問題，游武欣和魏力帶領(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(shí)間系列的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，結(jié)合相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組與代謝組數(shù)據(jù)，應(yīng)用最新的統(tǒng)計(jì)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(gè)階段。首先，缺氮初期：此時(shí)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(chǔ)備，其代謝過程的變化不明顯。其次，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(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)光合作用與脂質(zhì)代謝等過程也受到了不同程度的影響。3. 缺氮后期：細(xì)胞進(jìn)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工作。
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(jìn)一步證明甘油三酯從頭合成對(duì)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。該模型為定向調(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)。
該論文的共同第一作者是游武欣（青島能源所和德國魯爾大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生）和魏力博士，由德國魯爾大學(xué)植物生物化學(xué)系和青島能源所單細(xì)胞中心合作完成。該研究得到了中國科學(xué)院含碳?xì)怏w生物轉(zhuǎn)化項(xiàng)目、基金委中德中心等的支持。
附錄：
You, W.※, Wei, L. ※, Gong, Y., El Hajjami, M., Xu, J.*, & Poetsch*, A. Integration of proteome and transcriptome refines key molecular processes underlying oil production in Nannochloropsis oceanica, Biotechnology for Biofuels, 2020, 13:209, DOI:10.1186/s13068-020-01748-2.
