Metabolic switching: synergistic induction of carotenogenesis in the aerial microalga, Vischeria helvetica, under environmental stress conditions by inhibitors of fatty acid biosynthesis

作者: Nobuhiro Aburai, Katsuya Abe
杂志: Biotechnology Letters（2015）
DOI: 10.1007/s10529-015-1770-z
所属领域: 代谢工程
关键词: Aerial microalgaBioactive compoundCarotenogenesisFatty acid biosynthesisMAPKMetabolic switchingMolinate
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解决的核心问题

研究脂肪酸合成抑制对空气微藻Vischeria helvetica类胡萝卜素合成的协同诱导作用，探索通过调控脂肪酸代谢流来促进类胡萝卜素积累的代谢切换机制。

研究策略

利用不同机制的脂肪酸生物合成抑制剂（cerulenin、sethoxydim、molinate）结合氮缺乏和高光胁迫条件培养藻细胞，测定类胡萝卜素与脂肪酸含量；并用MAPK抑制剂（SB203580、SP600125、PD98059）探究信号通路参与调控的机制。

研究路线图

100%

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核心内容

本研究以空气微藻Vischeria helvetica KGU-Y001为对象，通过添加不同机制的脂肪酸合成抑制剂（cerulenin、sethoxydim、molinate）并结合氮缺乏和高光胁迫，探索代谢流从脂肪酸合成切换至类胡萝卜素积累的可行性。结果显示，在氮缺乏与200 μmol photons m⁻² s⁻¹高光条件下培养1周，基础类胡萝卜素含量达6.2 mg/g DWC，总脂肪酸在9周后达290 mg/g DWC。添加10 μM molinate可协同诱导类胡萝卜素积累，在高光和低光下分别达到对照的150%和240%，其中高光下为11.2±1.6 mg/g DWC，同时总脂肪酸从118降至92 mg/g DWC，表明碳流确实发生了再分配。信号通路研究显示，JNK抑制剂SP600125显著降低molinate诱导的类胡萝卜素积累（从10.7±0.7降至8.1±1.1 mg/g DWC）而不影响脂肪酸含量，而p38和ERK抑制剂则分别使类胡萝卜素增至对照的145%和120%，提示JNK MAPK通路正向参与代谢切换调控。该发现为通过化学抑制剂实现脂质向类胡萝卜素代谢重定向提供了可行策略，兼具商业化应用潜力。

创新点

首次发现脂肪酸合成抑制剂molinate在氮缺乏和高光条件下可协同诱导Vischeria helvetica的类胡萝卜素积累（达对照的2.4倍），并揭示了JNK MAPK通路在脂肪酸合成与类胡萝卜素代谢切换中的调控作用。

研究对象（7）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Vischeria helvetica KGU-Y001	类胡萝卜素生物合成	—	—	调控	空气微藻，在氮缺乏和高光胁迫下大量积累β-胡萝卜素，是本研究代谢调控的对象。
Vischeria helvetica KGU-Y001	脂肪酸生物合成	—	β-酮脂酰-ACP合酶	催化	脂肪酸合酶复合体成分，被cerulenin抑制。
Vischeria helvetica KGU-Y001	脂肪酸生物合成	—	乙酰辅酶A羧化酶	催化	脂肪酸合成限速酶，被sethoxydim抑制。
Vischeria helvetica KGU-Y001	脂肪酸生物合成	—	乙酰辅酶A延长酶	催化	参与脂肪酸碳链延长，被molinate抑制。
Vischeria helvetica KGU-Y001	MAPK信号通路	—	JNK（c-Jun N-末端激酶）	调控	JNK抑制剂SP600125可抑制molinate诱导的类胡萝卜素积累，表明JNK通路正调控类胡萝卜素合成。
Vischeria helvetica KGU-Y001	MAPK信号通路	—	p38	调控	p38抑制剂SB203580可促进类胡萝卜素积累并降低脂肪酸含量，表明p38通路负调控类胡萝卜素合成。
Vischeria helvetica KGU-Y001	MAPK信号通路	—	ERK	调控	ERK抑制剂PD98059可促进类胡萝卜素积累并降低脂肪酸含量，表明ERK通路负调控类胡萝卜素合成。

关键发现

在氮缺乏、高光（200 μmol photons m^-2 s^-1）条件下，Vischeria helvetica KGU-Y001培养1周后类胡萝卜素积累达6.2 mg/g DWC
总脂肪酸含量在9周后达290 mg/g DWC。添加10 μM molinate后，类胡萝卜素含量在200和40 μmol photons m^-2 s^-1下分别达到对照的150%和240%（高光下加molinate为11.2±1.6 mg/g DWC），同时总脂肪酸含量从118 mg/g DWC降至92 mg/g DWC。JNK抑制剂SP600125使molinate诱导的类胡萝卜素含量从10.7±0.7降至8.1±1.1 mg/g DWC，但不影响脂肪酸含量（87±12.8 mg/g DWC）
p38抑制剂SB203580和ERK抑制剂PD98059分别使类胡萝卜素含量增至对照的145%和120%，并降低脂肪酸含量至82±12.7和87±11.1 mg/g DWC。

研究结论

通过脂肪酸合成抑制剂抑制脂肪酸合成，可将代谢流从脂肪酸合成转向类胡萝卜素合成，在环境胁迫下协同提高类胡萝卜素产量，具有商业化应用潜力。调控机制涉及JNK MAPK信号通路。