Эти результаты исследования были опубликованы 9 апреля 2021 года в международном академическом журнале Communications Biology.
Основные моменты
Микроводоросли обладают высокой способностью производить липиды, фиксируя атмосферный CO2 посредством фотосинтеза, что делает их многообещающими кандидатами для производства биотоплива.
В светлых / темных условиях (i.е. днем и ночью), большая часть углеродных ресурсов микроводорослей, полученных из CO2, накапливается в виде углеводов (крахмала). Это затрудняет получение микроводорослями для производства липидов.
Исследователи использовали ионно-лучевой мутагенез для создания штамма микроводорослей, которые могут производить большое количество липидов даже в условиях света / темноты.
У этого мутанта микроводорослей был нарушен ген фермента, расщепляющего крахмал, в результате чего он вырабатывал фитогликоген, который легко расщепляется. Затем углеродные ресурсы были перераспределены с производства углеводов на производство липидов.
Предпосылки исследования
Биотопливо – это возобновляемый ресурс, которому уделяется много внимания на пути к созданию более устойчивых обществ. Микроводоросли – это фотосинтезирующие организмы, которые способны производить липиды из углекислого газа в атмосфере, что делает их перспективными кандидатами для производства биотоплива. Однако исследовательская группа Университета Кобе, состоящая из доцента проекта Като Юичи и профессора Хасунума Томохиса и др. обнаружил, что большая часть углеродных ресурсов направляется на производство крахмала, а не на производство липидов в светлых / темных условиях (i.е. день и ночь). Это проблема при выращивании видов микроводорослей на открытом воздухе.
Методология исследования
Для этого исследования ассистент профессора проекта Като и исследовательская группа профессора Хасунумы из Университета Кобе сотрудничали со старшим научным сотрудником Сато и др. в Национальных институтах квантовой и радиологической науки и технологий (QST).
Исследователи использовали ионный пучок в Институте перспективных радиационных исследований QST в Такасаки, чтобы вызвать мутации в микроводорослях. Это позволило им вырастить новый мутантный штамм под названием Chlamydomonas sp.
KOR1 (* 1), который может производить большое количество липидов даже в светлых / темных условиях.
Исследователи обнаружили, что у этого штамма KOR1 есть нарушения в гене ISA1 фермента разветвления крахмала (* 2), в результате чего он производит другой углевод: фитогликоген (* 3) вместо крахмала.
Обычно микроводоросли синтезируют и накапливают углеводы (крахмал) в светлое время суток и расщепляют их в темное время суток.
Однако накапливается много углеводов, которые нельзя полностью расщепить. В противоположность этому углевод, синтезируемый KOR1 (фитогликоген), полностью расщеплялся в темное время суток.
Результаты анализа метаболома KOR1 (* 4) выявили общее увеличение промежуточных метаболитов как в путях синтеза крахмала, так и в путях синтеза липидов (промежуточные метаболиты включали фруктозо-6-фосфат, глюкозо-6-фосфат, ацетил-КоА и глицерин-3-фосфат. ). На основе этого анализа исследователи осветили метаболический механизм, лежащий в основе повышенной выработки липидов в результате нарушения гена ISA1. В штамме KOR1 углевод (фитогликоген) быстро расщеплялся, и промежуточные метаболиты впоследствии вызывали перераспределение углеродного ресурса на производство липидов.
Дальнейшие разработки
Чтобы производить биотопливо с использованием микроводорослей, необходимо выращивать эти организмы на улице под солнечным светом.
Однако в этих светлых / темных условиях происходит неизбежное снижение производства липидов. Методика «перераспределения углеродных ресурсов путем разрушения гена фермента, разветвляющего крахмал», разработанная в ходе этого исследования, является одним из ответов на эту проблему.
Есть надежда, что этот новый метод может способствовать широкомасштабному внедрению производства биотоплива с использованием микроводорослей.
Глоссарий
1. Chlamydomonas sp.
KOR1: Использование микроводорослей Chlamydomonas sp. JSC4 (выделен из солоноватых вод на Тайване) в качестве родительского штамма, KOR1 – мутант, полученный с помощью ионно-лучевого мутагенеза (* 5). Его можно выращивать как в пресной, так и в соленой воде. Обладая способностью расщеплять углеводы и превращать их в липиды, он имеет как высокую скорость пролиферации, так и высокую скорость накопления липидов, демонстрируя высокоэффективное производство липидов.
2. Фермент разветвления крахмала: белок, который разрезает структуру ветвей крахмала. Он не только расщепляет крахмал, но и создает подходящие структуры для синтеза.
3. Фитогликоген: Фитогликоген имеет сильно разветвленную структуру по сравнению с крахмалом. Он также хорошо растворяется в воде, что означает, что он легко расщепляется и его легко использовать межклеточными ферментами.
4. Метаболомный анализ: метод всестороннего анализа небольших ионных молекул в образце с использованием аппарата CE-TOFMS (капиллярный электрофорез-времяпролетная масс-спектрометрия).
5. Мутагенез ионным пучком: он включает в себя поражение клеток растения или микроорганизма ускоренными ионными молекулами различных атомов (например, углерода) на десятых долях скорости света с использованием ускорителя частиц.
Этот метод облучения изменяет ДНК, что позволяет создать породу с полезными характеристиками.