高级醇 · 代谢工程文献库

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Biotechnological production of value-added carotenoids from microalgae

作者
Kristine Wichuk, Sigurður Brynjólfsson, Weiqi Fu
单位
Center for Systems Biology; University of Iceland; Reykjavik, Iceland; Faculty of Industrial Engineering, Mechanical Engineering, and Computer Science; University of Iceland; Reykjavik, Iceland
杂志
Bioengineered（2014）
DOI
10.4161/bioe.28720
所属领域
代谢工程
关键词
Dunaliella salinaLED-based photobioreactorsadaptive laboratory evolutioncarotenoid metabolismenvironmental stressmicroalgae
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解决的核心问题

提高微藻类胡萝卜素的生产效率，主要瓶颈在于光驱动代谢和光合效率；光限制和光抑制同时存在于管式光生物反应器中，限制生物量产量和光合效率，进而降低类胡萝卜素生产率。

研究策略

通过评估非生物环境胁迫对盐藻叶黄素生物合成的影响，提出压力驱动的适应性进化实验设计；利用LED光生物反应器精确控制光照强度和波长；结合适应性实验室进化（ALE）提升生长速率和类胡萝卜素积累；介绍遗传修饰工具（如玻璃珠转化、RNA干扰、电穿孔等），并强调优化微藻光捕获系统。

研究路线图

100%
核心问题：微藻类胡萝卜素生产效率低（光限制与光抑制）
策略：压力驱动的适应性进化（ALE）+ LED光质调控
关键改造：LED光生物反应器精确控制光照强度与波长
关键改造：ALE提升生长速率与类胡萝卜素积累
关键改造：遗传修饰工具（玻璃珠转化、RNAi、电穿孔）
结果：Phaeodactylum tricornutum（50%R+50%B）生物量0.64 g/L/d，岩藻黄素12.2 mg/g
结果：Dunaliella salina经ALE后叶黄素7.9 mg/g，β-胡萝卜素9.5 mg/g
结果：Chlorella vulgaris经ALE后生物量2.11 g/L/d，光合效率9%
结论：结合代谢工程、菌株选育、光反应器设计与培养优化，提升整体生产力
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核心内容

该研究系统探讨了通过工程化微藻提升类胡萝卜素生产效率的策略。研究者以光限制和光抑制为关键瓶颈，在LED光生物反应器中精确调控光照强度和波长，并结合适应性实验室进化（ALE）筛选耐受菌株。结果显示，三角褐指藻在50%红光加50%蓝光条件下，生物量生产力达0.64 gDCW/L/day，光合效率3.3%，岩藻黄素含量12.2 mg/g DCW；盐藻经ALE后，在100%红光下生物量生产力从0.22提升至0.40 gDCW/L/day，叶黄素含量从4.0增至7.9 mg/g DCW，β-胡萝卜素从2.6升至9.5 mg/g DCW。普通小球藻经ALE后生物量生产力达2.11 gDCW/L/day，光合效率9.0%。此外，两阶段培养使杜氏藻β-胡萝卜素含量达80 mg/g DCW，雨生红球藻虾青素含量达40 mg/g DCW，生产力11.5 mg/L/day。研究还总结了绿藻与硅藻类胡萝卜素代谢途径差异，并介绍遗传转化工具。结果表明，将ALE与光谱优化结合，同时改进光捕获系统，可显著提升微藻类胡萝卜素生产率，为工业化生产提供可行路径。

创新点

将适应性实验室进化与LED光质调控相结合用于增强微藻类胡萝卜素生产；系统总结绿藻和硅藻中类胡萝卜素代谢途径的差异；明确光限制和光抑制是主要瓶颈，建议未来结合多种策略优化光合效率。

研究对象（2）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Dunaliella salina 类胡萝卜素生物合成 pds 八氢番茄红素脱氢酶 催化 通过RNA干扰抑制pds基因表达，影响类胡萝卜素合成
Chlorella zofingiensis 类胡萝卜素生物合成（虾青素） pds（耐norflurzan的突变体） 八氢番茄红素脱氢酶 催化 作为显性选择标记用于遗传工程，虾青素含量达4.6 mg/g DCW

关键发现

  1. 在LED光生物反应器中，Phaeodactylum tricornutum在204 μE/m²/s的50%红光+50%蓝光下，生物量生产力为0.64 ±
  2. 02 gDCW/L/day，光合效率为3.3%，岩藻黄素含量为12.2 ±
  3. 1 mg/g DCW，β-胡萝卜素为1.0 ±
  4. 3 mg/g DCW；在100%红光下生物量生产力为0.32 ±
  5. 02 gDCW/L/day，光合效率2.0%。Dunaliella salina经ALE后，在170 μE/m²/s的100%红光下，生物量生产力从0.22 ±
  6. 01提高到0.40 ±
  7. 01 gDCW/L/day，光合效率从1.7%提高到3.0%；在75%红光+25%蓝光下，生物量生产力从0.40 ±
  8. 01提高到0.48 ±
  9. 02 gDCW/L/day，光合效率从2.7%提高到3.3%；叶黄素含量从4.0 ±
  10. 4提高到7.9 ±
  11. 7 mg/g DCW，β-胡萝卜素从2.6 ±
  12. 2提高到9.5 ±
  13. 5 mg/g DCW。Chlorella vulgaris经ALE后，在300 μE/m²/s的100%红光下，生物量生产力达2.11 ±
  14. 13 gDCW/L/day，光合效率为9.0%；ALE前在255 μE/m²/s下为0.71 ±
  15. 05 gDCW/L/day和3.6%。非遗传修饰的Dunaliella bardawil两阶段培养β-胡萝卜素含量达80 mg/g DCW；Haematococcus pluvialis两阶段培养虾青素含量达40 mg/g DCW，生产力为11.5 mg/L/day；遗传修饰的Chlorella zofingiensis虾青素含量为4.6 mg/g DCW，Saccharomyces cerevisiae β-胡萝卜素含量为5.9 mg/g DCW。

研究结论

工程化微藻生产类胡萝卜素应同时注重提高目标类胡萝卜素积累和优化微藻光捕获系统，通过结合代谢工程、菌株选育、光生物反应器设计和培养优化，可显著提升整体生产力。