Growing phototrophic cells without light
- 作者
- Guan-Qun Chen, Feng Chen
- 单位
- Department of Botany, The University of Hong Kong, Pokfulam Road, Hong Kong, China
- 杂志
- Biotechnology Letters（2006）
- DOI
- 10.1007/s10529-006-0025-4
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
光合微生物因光照限制导致生长缓慢、生产率低，如何在不依赖光照的条件下实现其快速高密度生长并高效生产高价值产物（如n-3多不饱和脂肪酸、类胡萝卜素等）。
研究策略
综述多种异养培养策略，包括通过基因工程将严格光养微生物转化为兼性异养（如导入Glut1基因）、开发分批、补料分批、连续和灌注等培养模式，以及优化培养基营养和环境条件。
核心内容
该文系统综述了光合微生物在不依赖光照条件下实现异养培养的研究进展。传统光养模式受光照限制导致细胞生长缓慢、生产率低下，作者总结了通过代谢工程和培养策略优化实现高密度培养与高价值产物合成的多种途径。关键突破在于通过导入单基因Glut1葡萄糖转运蛋白，将严格光养的三角褐指藻转化为兼性异养，展现了代谢工程改造营养方式的可行性。在培养模式方面，比较了分批、补料分批、连续和灌注等策略的效率，其中Nitzschia laevis灌注培养细胞密度可达40 g/L，EPA产量1112 mg/L；Crypthecodinium cohnii以乙醇为碳源补料分批培养时，干重达83 g/L，DHA产量11.7 g/L。此外，环境参数优化也显著影响产物积累，如高C/N比可增强Chlorella zofingiensis虾青素合成，适宜盐度对不同藻种EPA和DHA产量均有促进作用。这些结果表明，异养培养能有效克服光限制，实现光合微生物的工业化规模生产，代谢工程为严格光养物种的异养化改造提供了有效工具，未来仍需深入解析光养机制并筛选优良菌株以进一步优化生产体系。
创新点
系统总结了异养培养光合细胞的研究进展，重点介绍了通过单基因（Glut1）实现严格光养硅藻三角褐指藻营养方式转化的代谢工程突破，并比较了多种培养模式的效率。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Phaeodactylum tricornutum | 糖转运/异养代谢 | Glut1 | Glut1 glucose transporter | 转运 | 导入人源葡萄糖转运蛋白基因，使严格光养硅藻获得葡萄糖摄取能力，实现黑暗中异养生长 |
| Crypthecodinium cohnii | 脂肪酸合成（DHA生物合成） | — | acetyl-CoA synthetase | 催化 | 催化乙酸一步生成乙酰-CoA，为脂肪酸合成提供直接前体，是乙酸优于葡萄糖作为碳源的原因 |
关键发现
- Nitzschia laevis灌注培养细胞密度达40 g/l，EPA产量为1112 mg/l
- Nitzschia alba补料分批培养细胞密度30 g/l，EPA生产率250 mg/l/d、产量675 mg/l
- Crypthecodinium cohnii以乙醇为碳源补料分批培养，干重83 g/l，DHA产量11.7 g/l
- 以乙酸为碳源时DHA生产率提高至1152 mg/l/d
- Chlorella zofingiensis异养培养中通过过氧亚硝酸盐诱导虾青素产量达12.6 mg/l
- Chlorella protothecoides补料分批培养叶黄素产量225.3 mg/l，细胞密度46.9 g/l
- C. cohnii在盐度9 g NaCl/l时DHA产量最高
- N. laevis在14 g NaCl/l时EPA产量最佳
- 高C/N比（180）可增强Chlorella zofingiensis次生类胡萝卜素包括虾青素的合成。
研究结论
异养培养能有效克服光限制，实现光养微生物的高密度和高产量培养，具有工业化潜力；代谢工程是使严格光养微生物实现异养生长的有效手段；未来需深入研究严格光养机制，筛选优良菌株并优化培养策略。