高级醇 · 代谢工程文献库

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Enhancement of carotenoid biosynthesis in the green microalga Dunaliella salina with light-emitting diodes and adaptive laboratory evolution

作者
Weiqi Fu, Olafur Guomundsson, Giuseppe Paglia, Gisli Herjolfsson, Olafur S. Andrésson, Bernhard O. Palsson, Sigurður Brynjólfsson
单位
Center for Systems Biology, University of Iceland, 101 Reykjavik, Iceland; Department of Bioengineering, University of California, San Diego, La Jolla, CA 92093-0412, USA
杂志
Applied Microbiology and Biotechnology（2012）
DOI
10.1007/s00253-012-4502-5
所属领域
代谢工程
关键词
Adaptive laboratory evolutionCarotenoid metabolismDunaliella salinaLED-based photobioreactorβ-carotene and lutein
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解决的核心问题

利用LED窄光谱光源研究光质对杜氏盐藻(Dunaliella salina)生长和类胡萝卜素代谢的影响，并通过适应性实验室进化(ALE)提高β-胡萝卜素和叶黄素的产量，解决类胡萝卜素积累与生物量产量之间的权衡问题。

研究策略

采用LED光源（红光、蓝光及其组合）精确控制光质与光强，优化杜氏盐藻生长和类胡萝卜素积累的条件；利用UPLC-UV-MS分析色素代谢物；结合半连续培养和适应性实验室进化(ALE)筛选适应高光胁迫的高产菌株。

研究路线图

100%
问题：光质影响杜氏盐藻类胡萝卜素积累？
缓解生长与类胡萝卜素积累的权衡
策略：LED窄光谱光质调控
策略：适应性实验室进化 (ALE)
关键改造：红蓝组合光 (75%:25%) + 16轮ALE
结果：组合光下生长0.40 gDCW/L/d
结果：β-胡萝卜素↑3.3倍 / 叶黄素↑2.3倍
结论：LED组合光+ALE实现CO₂→高值化学品
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核心内容

本研究以绿色微藻杜氏盐藻为对象，系统考察了LED窄光谱光质对生长与类胡萝卜素代谢的影响，并引入适应性实验室进化解决类胡萝卜素积累与生物量之间的权衡。实验发现纯红光在128 μE/m²/s时生长速率达0.32 gDCW/L/day，但高于170 μE/m²/s出现光抑制；采用红蓝组合光（75%:25%）可避免光抑制，使平均生长速率提升至0.40 gDCW/L/day，显著优于纯红光。随后经16轮适应性实验室进化获得菌株HI001，在红蓝光下生长速率进一步提高至0.48 gDCW/L/day，全反式β-胡萝卜素和叶黄素含量分别增至原始菌株的3.3倍和2.3倍，总类胡萝卜素含量达初始水平的285%。值得注意的是，该性状表现具有条件特异性，在纯红光下HI001与原始菌株无明显差异。氮饥饿可进一步增强主要类胡萝卜素积累。研究证明光质调控结合适应性进化是提高微藻高价值类胡萝卜素可持续生产的有效策略，为LED光生物反应器转化CO2为有用化学品提供了可行路径。

创新点

1. 首次系统研究红/蓝LED窄光谱光质对杜氏盐藻类胡萝卜素代谢的影响；2. 发现红蓝组合光(75%:25%)可避免纯红光引起的光抑制并提高生长；3. 将适应性实验室进化(ALE)应用于杜氏盐藻，成功获得类胡萝卜素积累显著提高的菌株HI001；4. 建立了基于LED光生物反应器的高效培养系统。

研究对象（1）

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途径 Lcy-β 番茄红素β-环化酶 (LCY-β) 催化 该基因编码番茄红素β-环化酶，催化番茄红素生成β-胡萝卜素；文章引言引用Ramos等(2008)研究表明其转录水平在盐、光、营养缺乏等胁迫条件下上调。

关键发现

  1. 最佳红光光通量为128 μE/m²/s，最大平均生长速率为0.32 gDCW/L/day
  2. 高于此光通量（170和255 μE/m²/s）出现光抑制。在总光通量170 μE/m²/s下，红蓝(75%:25%)组合光使杜氏盐藻平均生长速率达0.40±0.01 gDCW/L/day，生物量产量0.27±0.01 gDCW/E，而纯红光仅为0.22±0.01 gDCW/L/day和0.15±0.01 gDCW/E，表明添加蓝光可避免光抑制。经16轮适应性实验室进化(ALE)，适应菌株HI001在红蓝光下平均生长速率提升至0.48±0.02 gDCW/L/day，生物量产量0.33±0.01 gDCW/E，全反式β-胡萝卜素和叶黄素含量分别增至初始水平的3.3倍和2.3倍，总类胡萝卜素、叶绿素b、叶绿素a含量分别为原始菌株的285.1±55.3%、181.5±30.5%和202.9±21.0%
  3. 而在128 μE/m²/s纯红光下HI001与原始菌株性能无显著差异（生长速率0.33 vs 0.32 gDCW/L/day），说明ALE获得的性状是条件特异的。此外，氮饥饿可增强主要类胡萝卜素积累。

研究结论

光质量是杜氏盐藻生长和类胡萝卜素积累的关键因素。红蓝LED组合光与适应性实验室进化相结合，显著提高了单位光子通量的生物量产量和β-胡萝卜素、叶黄素的可持续生产水平，证明了基于LED的光生物反应器直接转化CO2为高价值化学品的可行性。