脂肪酸在細(xì)胞中以能量存儲分子、膜脂、信號分子等形式普遍存在，并廣泛應(yīng)用于生物燃料、營養(yǎng)與健康、材料化工等產(chǎn)業(yè)。作為末端含有一個羧基的脂肪族碳?xì)滏湥兼滈L度是決定脂肪酸功能、價(jià)值和用途的關(guān)鍵因素之一。近日，青島能源所單細(xì)胞中心開發(fā)了脂肪酸“全鏈長范圍”、“單元鏈長精度”精準(zhǔn)可調(diào)的工業(yè)產(chǎn)油微藻，并提出了工業(yè)微藻中脂肪酸鏈長調(diào)控的分子機(jī)制模型（圖一）。這一原創(chuàng)成果發(fā)表于《代謝工程》（Metabolic Engineering）。
圖一、在單細(xì)胞中心開發(fā)的海洋微擬球藻中，脂肪酸分子就像孫悟空手中的金箍棒，其長度精準(zhǔn)可調(diào)。
基于碳鏈長度，脂肪酸可分為短鏈、中鏈、長鏈和超長鏈四類。超長鏈脂肪酸如花生四烯酸（ARA）和二十碳五烯酸（EPA）等是人類和動物的營養(yǎng)補(bǔ)充劑，而長鏈和中鏈脂肪酸不僅是動植物脂肪的主要成分，也是抗菌劑、潤滑油、洗滌劑、表面活性劑和生物柴油等諸多工業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵成分。同時(shí)，每種鏈長的脂肪酸都有其特殊的功能。因此，可持續(xù)和環(huán)境友好的脂肪酸生產(chǎn)，依賴于“全鏈長范圍”、“單元鏈長精度”精準(zhǔn)可調(diào)的脂肪酸細(xì)胞工廠。
作為一種“負(fù)碳”的細(xì)胞工廠，工業(yè)微藻能夠在光能驅(qū)動下，將二氧化碳和水規(guī)?；剞D(zhuǎn)化成各種鏈長的脂肪酸（從C8到C22以上），但每種工業(yè)微藻的脂肪酸鏈長組成通常穩(wěn)定且具物種特異性，因而難以靈活可控地合成各種鏈長的脂肪酸分子。針對此瓶頸問題，單細(xì)胞中心的王勤濤助理研究員和大連理工大學(xué)的馮延賓副教授帶領(lǐng)的研究小組，在工業(yè)產(chǎn)油微藻——海洋微擬球藻中，發(fā)現(xiàn)一個定位于細(xì)胞質(zhì)中屬于PKS系統(tǒng)的二類酯酰-ACP硫酯酶NoTE1，能提高C16和C18的含量并降低C20的含量，從而可用于理性調(diào)控長鏈和超長鏈脂肪酸的相對含量。
進(jìn)一步，研究人員發(fā)現(xiàn)來自一種高等植物濕地萼距花（Cuphea palustris）的硫酯酶CpTE，能夠大幅提升C8和C10等中鏈脂肪酸在微擬球藻細(xì)胞中的比重。因此，大范圍篩選不同物種來源的硫酯酶，對于脂肪酸細(xì)胞工廠的構(gòu)建，具有重要意義。
但是，CpTE的天然結(jié)構(gòu)決定了其對于C8和C10的偏好性，因此難以調(diào)控C12的含量。針對此問題，研究人員利用酶工程，理性改造了CpTE與底物鏈長選擇性相關(guān)的結(jié)構(gòu)域，成功地將其底物偏好性從C8和C10變成了C12。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此命名為mCpTE的新酶能大幅度提高微擬球藻中C12的含量。
因此，研究人員聯(lián)合運(yùn)用代謝工程和蛋白質(zhì)工程，首次實(shí)現(xiàn)了微藻中“全鏈長范圍”、“單元鏈長精度”的脂肪酸含量調(diào)控（圖一）。在此基礎(chǔ)上，還提出了微擬球藻合成脂肪酸的分子機(jī)制模型：細(xì)胞利用PKS途徑、去飽和延伸途徑、FAS系統(tǒng)等三條脂肪酸合成途徑，分別修飾不同碳鏈長度脂肪酸的鏈長。這一機(jī)制模型為針對脂肪酸鏈長的工業(yè)產(chǎn)油微藻分子育種，提供了新穎的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
在海洋微擬球藻中，單細(xì)胞中心前期已示范了基于不同飽和度的脂肪酸分子來合成“定制化油脂分子”（Xin, et al, Molecular Plants, 2017, 2019），當(dāng)前這些發(fā)現(xiàn)則進(jìn)一步證明了理性調(diào)控脂肪酸鏈長的可行性。這一系列較為系統(tǒng)的研究工作，展示了微擬球藻作為一種“負(fù)碳”油脂細(xì)胞工廠服務(wù)于生物燃料、營養(yǎng)與健康、材料化工等產(chǎn)業(yè)的巨大潛力。
該工作由單細(xì)胞中心徐健研究員和大連理工大學(xué)的薛松教授主持完成，得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委等的資助。
原文鏈接：
Qintao Wang#, Yanbin Feng#, Yandu Lu, Yi Xin, Chen Shen, Li Wei, Yuxue Liu, Nana Lv, Xuefeng Du, Wenqiang Zhu, Byeong-ryool Jeong, Song Xue*, Jian Xu*. Manipulating fatty-acid profile at unit chain-length resolution in the model industrial oleaginous microalgae Nannochloropsis. Metabolic Engineering 2021, https://doi.org/10.1016/j.ymben.2021.03.015.
