Channeling of Carbon Flux Towards Carotenogenesis in Botryococcus braunii: A Media Engineering Perspective
- 作者
- Iqra Mariam, Mukul Suresh Kareya, Mohammed Rehmani, Asha Arumugam Nesamma, Pannaga Pavan Jutur
- 单位
- Omics of Algae Group and DBT-ICGEB Centre for Advanced Bioenergy Research, Industrial Biotechnology, International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology, New Delhi, India
- 杂志
- Frontiers in Microbiology（2021）
- DOI
- 10.3389/fmicb.2021.693106
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
微藻生产高价值类胡萝卜素/角鲨烯时通常以牺牲生长为代价，且MEP途径的调控机制不清；如何通过培养基工程（碳源补充）在不降低生物量的情况下将碳流导向类胡萝卜素合成。
研究策略
采用生物信息学（BLAST同源检索、系统发育、MEME/HMMER结构域分析、STRING互作网络）结合实验验证：在BG-11中添加0.08% NaHCO3、3% CO2及其组合培养B. braunii，测定生长、叶绿素荧光、HPLC类胡萝卜素和GC-MS角鲨烯含量，揭示碳流分配机制。
核心内容
该研究以产油微藻 Botryococcus braunii 为对象，探索通过培养基工程将碳流导向类胡萝卜素合成而不牺牲生物量的策略。研究先采用 BLAST 同源检索、系统发育、保守结构域及 STRING 互作网络等生物信息学手段，系统分析了 MEP 途径及类胡萝卜素/角鲨烯合成相关蛋白的保守性与亚细胞定位，鉴定出约 200 个相关基因，约 59% 定位于叶绿体，并发现 DXS1 存在三个变体。随后在 BG-11 培养基中分别添加 0.08% NaHCO₃、3% CO₂及其组合进行培养，结合 HPLC 与 GC-MS 测定产物变化。结果表明，NaHCO₃与 CO₂联用时生物量生产力达 100.03 mg L⁻¹ d⁻¹，较对照提高约 41%，类胡萝卜素含量从 0.059% DCW 升至 0.18% DCW，角鲨烯含量则由 0.326% DCW 降至 0.08% DCW，同时光合性能显著改善。该结果表明碳源补充可将碳流从角鲨烯合成转向类胡萝卜素积累，推测与上调 PSY、下调 FPPS 有关，为不抑制生长的类胡萝卜素生产提供了可行策略。
创新点
1) 首次在B. braunii中揭示碳源补充条件下类胡萝卜素与角鲨烯合成途径的碳流分配互作（crosstalk）；2) 结合系统基因组学对MEP途径蛋白进行全面的保守性、亚细胞定位和结构域分析；3) 提出以碳酸氢盐和CO2组合的培养基工程策略，在不抑制生长的情况下实现类胡萝卜素积累。
研究对象（9）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Botryococcus braunii | MEP途径 | dxs1 | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸合酶 (DXS1) | 催化 | MEP途径第一个关键限速酶，B. braunii中存在三个变体 |
| Botryococcus braunii | MEP途径 | dxr | 1-脱氧-D-木酮糖-5-磷酸还原异构酶 (DXR) | 催化 | 催化DXP生成MEP，MEP途径第二步反应 |
| Botryococcus braunii | MEP途径 | hds | 1-羟基-2-甲基-2-丁烯基-4-二磷酸合酶 (HDS) | 催化 | 含有GcpE结构域，催化HMBPP合成 |
| Botryococcus braunii | MEP途径 | ids1 | HMBPP还原酶 (IDS1) | 催化 | 催化HMBPP生成IPP/DMAPP，与GGPS和DXR1互作 |
| Botryococcus braunii | 类胡萝卜素生物合成 | psy | 八氢番茄红素合酶 (PSY) | 催化 | 类胡萝卜素合成限速酶，与FPPS存在互作，推测碳补充后上调 |
| Botryococcus braunii | 角鲨烯生物合成 | fpps | 法尼基二磷酸法尼基合酶 (FPPS/角鲨烯合酶) | 催化 | 角鲨烯合成限速酶，碳补充后下调 |
| Botryococcus braunii | 类胡萝卜素生物合成 | pds1 | 八氢番茄红素脱饱和酶 (PDS1) | 催化 | 含氨基酸氧化酶结构域，类胡萝卜素途径脱饱和步骤 |
| Botryococcus braunii | 类胡萝卜素生物合成 | zds1 | ζ-胡萝卜素脱饱和酶 (ZDS1) | 催化 | 含氨基酸氧化酶结构域，与PDS1类似 |
| Botryococcus braunii | 类胡萝卜素/角鲨烯合成前体途径 | ggps | 牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸合酶 (GGPS) | 催化 | 催化GGPP合成，与IDS1互作，为类胡萝卜素和角鲨烯提供共同前体 |
关键发现
- 生物信息学分析鉴定出约200个MEP途径相关基因，59%的蛋白定位于叶绿体。系统发育分析显示MEP途径蛋白高度保守，DXS1在B. braunii中有三个变体，FPPS在绿藻和Aurantiochytrium中保守。碳源补充实验中，BG-11+0.08% NaHCO3+3% CO2使B. braunii生物量生产力达100.03 mg L-1 D-1（对照70.99 mg L-1 D-1），比生长速率0.26 day-1，倍增时间2.70天（对照3.37天）
- 类胡萝卜素含量达0.18% DCW（对照0.059% DCW），角鲨烯含量从对照0.326% DCW降至0.16%（NaHCO3）、0.06%（CO2）和0.08%（NaHCO3+CO2）
- 同时botryococcene含量从0.023% DCW升至0.055% DCW。光合参数显示Fv/Fm从0.62升至0.74-0.77，PSII有效量子效率Y(II)从0.15升至0.42-0.45，ETR(II)从29.8升至61.9（3% CO2），而NPQ从0.66降至0.31。
研究结论
碳源补充（尤其NaHCO3+CO2联用）将B. braunii的碳流从角鲨烯合成转向类胡萝卜素（尤其是lutein）合成，可能是通过上调PSY和下调FPPS实现。MEP途径在微藻中高度保守并存在复杂的crosstalk；工程化PSY/FPPS等调控蛋白有望进一步提高类胡萝卜素产量，是一种不牺牲生长的经济有效的media engineering策略。