Development of a novel nannochloropsis strain with enhanced violaxanthin yield for large-scale production
- 作者
- Su-Bin Park, Jin-Ho Yun, Ae Jin Ryu, Joohyun Yun, Ji Won Kim, Sujin Lee, Saehae Choi, Dae-Hyun Cho, Dong-Yun Choi, Yong Jae Lee, Hee-Sik Kim
- 单位
- Cell Factory Research Center, Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB); Major of Environmental Biotechnology, KRIBB School of Biotechnology, Korea University of Science and Technology (UST); Osong Medical Innovation Foundation
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2021）
- DOI
- 10.1186/s12934-021-01535-0
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发一种能提高紫黄质（violaxanthin）产量的新型Nannochloropsis菌株，以满足大规模工业生产的需要。
研究策略
从韩国西海岸海水样品中分离多个Nannochloropsis物种，比较紫黄质产量；对最优野生型WS-1进行γ射线随机诱变，通过颜色筛选和连续传代获得高产突变株M1；在摇瓶和10L生物反应器中验证产量；通过比较转录组分析揭示分子机制。
核心内容
为满足紫黄质大规模工业生产的需要，研究人员从韩国西海岸海水样品中分离了多株Nannochloropsis物种，比较其紫黄质产量，并以最优野生型WS-1为出发菌株，通过500 Gy γ射线随机诱变结合黄色菌落颜色筛选和连续传代，获得高产突变株M1。摇瓶培养中，M1的紫黄质含量达5.21±0.33 mg/g，较WS-1的3.93 mg/g提高约32%，体积产率也相应提升21%。在10L生物反应器放大培养中，M1的最大紫黄质体积产量为3.23±0.15 mg/L，比WS-1的2.25±0.43 mg/L高出43.54%，验证了规模化的可行性。比较转录组分析共鉴定出229个差异表达基因，其中紫黄质脱环氧化酶、Mcm5和eIF2下调，而PsaA、钙依赖性蛋白激酶和肽基脯氨酰异构酶上调，提示紫黄质积累增强与光系统I核心蛋白上调及紫黄质循环酶活性降低等机制相关。该突变株的成功开发为紫黄质工业化生产提供了高效菌株和分子层面的优化靶点。
创新点
1. 采用γ射线随机诱变结合黄色菌落筛选高效获得紫黄质高产突变株；2. 突变株M1的紫黄质含量达到5.21 mg/g，为已报道微藻中最高之一；3. 在10L规模培养中紫黄质产量提高43.54%，证明放大可行性；4. 转录组分析发现M1下调violaxanthin de-epoxidase、上调PsaA等关键调控机制。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nannochloropsis oceanica WS-1 | 类胡萝卜素合成（紫黄质循环） | — | violaxanthin de-epoxidase | 催化 | 在突变株M1中该酶转录下调，减少紫黄质向玉米黄质转化，从而维持较高的紫黄质含量。 |
| Nannochloropsis oceanica M1 | 光合作用/光系统I | psaA | PsaA | 能量供给 | 在M1中上调表达，增强对光系统I光抑制损伤的耐受，与高光下生长优势相关。 |
| Nannochloropsis oceanica M1 | 蛋白质合成/翻译起始 | eIF2 | 翻译起始因子2亚基 | 调控 | 在M1中下调，导致蛋白质合成延迟，与正常光下生长变慢相关。 |
| Nannochloropsis oceanica M1 | 信号转导/胁迫响应 | CPK | 钙依赖性蛋白激酶 | 调控 | 在M1中上调，参与生物/非生物胁迫响应，可能有助于增强环境耐受性。 |
| Nannochloropsis oceanica M1 | 蛋白质折叠 | — | 肽基脯氨酰异构酶 | 催化 | 在M1中上调，促进蛋白质折叠，增强细胞胁迫耐受。 |
| Nannochloropsis oceanica M1 | DNA复制起始 | MCM5 | 微型染色体维持蛋白5 | 催化 | 在M1中下调，与细胞增殖减缓相关。 |
关键发现
- 从6株分离菌中，WS-1紫黄质含量最高为3.93 mg/g，体积产量1.1615 mg/L/d
- 经500 Gyγ射线诱变和筛选获得突变株M1，其紫黄质含量为5.21±0.33 mg/g，生物量生产力0.2101 g/L/d，紫黄质产量较WS-1提高21%
- 在10L反应器中，M1最大紫黄质含量2.10±0.02 mg/g，最大体积产量3.23±0.15 mg/L，比WS-1（2.25±0.43 mg/L）高43.54%
- 转录组分析共获得18606个unigenes，229个差异表达基因（52上调，177下调），其中下调violaxanthin de-epoxidase、Mcm5和eIF2，上调PsaA、CPK和肽基脯氨酰异构酶等
- M1在高光下生长显著快于WS-1。
研究结论
成功开发了紫黄质产量显著提高的Nannochloropsis oceanica突变株M1，并在10L生物反应器验证了规模化生产的可行性；比较转录组分析提示紫黄质含量增加与violaxanthin de-epoxidase下调及PsaA上调等机制有关，为后续工业菌株优化提供了基础。