高级醇 · 代谢工程文献库

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A New Paradigm for Producing Astaxanthin From the Unicellular Green Alga Haematococcus pluvialis

作者
Zhen Zhang, Baobei Wang, Qiang Hu, Milton Sommerfeld, Yuanguang Li, Danxiang Han
单位
State Key Laboratory of Bioreactor Engineering, East China University of Science and Technology; Department of Human System and Environment, Arizona State University; Center for Microalgal Biotechnology and Biofuels, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences; Department of Chemical and Biochemical Engineering, Xiamen University
杂志
Biotechnology and Bioengineering（2016）
DOI
10.1002/bit.25976
所属领域
代谢工程
关键词
Haematococcus pluvialisacclimationastaxanthinheterotrophy
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解决的核心问题

雨生红球藻异养培养获得的细胞在光诱导虾青素积累过程中因光合装置不完善而易于发生光抑制、细胞死亡，导致虾青素产量受限

研究策略

将异养培养、光/氮驯化与光自养诱导相结合的新培养模式：先优化诱导条件（pH缓冲、碳源氮源、光照强度），再在中等光照和氮充足条件下驯化暗培养细胞以重建光合装置，然后在高光氮缺乏条件下诱导虾青素积累

研究路线图

100%
核心问题：异养细胞光抑制死亡
目标：构建异养-驯化-光诱导新模式
策略：三步耦合培养策略
① 异养扩增暗培养细胞
② 驯化：中光+氮重建光合装置
③ 高光+氮缺乏诱导虾青素
关键结果：产量提升4-10.5倍
机制验证：Fv/Fm、PsbA、PsbO恢复
结论：驯化策略可商业化应用
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核心内容

针对雨生红球藻异养细胞在光诱导阶段因光合装置不完善而易于光抑制死亡的问题，研究提出了一种异养—驯化—光自养诱导的组合培养模式。首先优化诱导条件，添加40 mM HEPES将pH维持在7–8，使虾青素浓度较对照提高10.1–11.8倍；随后在中等光照（100 μmol photons m⁻² s⁻¹）和氮充足条件下，对暗培养细胞进行驯化以重建光合装置，再转入高光缺氮条件诱导虾青素积累。驯化后Fv/Fm从0.6恢复至0.8，PsbA和PsbO蛋白含量增加，而未驯化细胞中PetC快速降解。在摇瓶水平，驯化组虾青素生产力达3.92 mg/L/d，较未驯化对照提高4倍；放大至气泡柱光生物反应器后，驯化组最大干重4.46 g/L、虾青素含量2.37%干重、最高生产力10.5 mg/L/d，对照组仅为3.25 mg/L/d。结果表明，驯化步骤能有效重建异养细胞的光合装置、降低高光诱导下的细胞死亡率，该策略为工业化生产虾青素提供了可行路径。

创新点

提出在异养转光自养之间引入驯化步骤，利用中等光照和硝酸盐促进暗生长细胞光合装置（D1蛋白、PsbO等）的恢复，从而显著降低细胞死亡率并提高虾青素生产力

研究对象（4）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Haematococcus pluvialis NIES-144 虾青素生物合成途径 — — 催化 模式藻株，能够合成虾青素
Haematococcus pluvialis NIES-144 光合作用/光保护 psbA PsbA (D1) 能量供给 PSII核心蛋白，高光诱导下含量下降，驯化后恢复并稳定
Haematococcus pluvialis NIES-144 光合作用/光保护 psbO PsbO 能量供给 PSII放氧复合体33kDa蛋白，驯化后含量增加1.5-3倍
Haematococcus pluvialis NIES-144 光合电子传递 petC PetC (Rieske iron-sulfur protein) 能量供给 细胞色素b6f复合物组分，未驯化细胞中迅速降解

关键发现

  1. 添加40mM HEPES使pH维持在7-8，虾青素浓度提高10.1-11.8倍
  2. 优化光诱导条件下虾青素含量达0.97%干重、生产力2.54 mg/L/d
  3. 驯化（100 μmol photons m-2 s-1 + N）后最高生产力3.92 mg/L/d，比未驯化对照提高4倍
  4. 放大至气泡柱光生物反应器后，驯化组最大干重4.46 g/L、虾青素含量2.37%干重、最高生产力10.5 mg/L/d，对照组最高生产力仅3.25 mg/L/d
  5. Fv/Fm由异养细胞的0.6恢复至驯化后的0.8
  6. PsbA、PsbO含量在驯化期间增加，PetC在未驯化细胞中迅速降解

研究结论

通过驯化异养生长的雨生红球藻细胞，可有效重建其光合装置，提高高光诱导下细胞存活率和虾青素积累，该异养-驯化-光诱导组合策略具有商业化应用前景