不同階段TAG合成的碳來源及主要代謝途徑的活性變化
■本報記者 廖洋 通訊員 劉佳
面對能源短缺和環境汙染兩大嚴峻問題，尋找可再生且對環境友好的新型能源迫在眉睫。微藻能源就被認為是一種極具前景的新能源。
微擬球藻是一種單細胞藻類，廣泛分布於海水、淡水和微鹹水中。其在缺氮脅迫下能大量合成油脂，這一應激反應是微藻能源的科學基礎之一。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心與德國魯爾大學植物生物化學系合作，針對微擬球藻，構築了缺氮脅迫下蛋白質組動態模型，揭示了該應激過程的三個生理階段，為油脂代謝工程提供了新的視角。該成果日前發表於《生物燃料技術》（Biotechnology for Biofuels）。
構築微擬球藻蛋白質組動態模型
據該成果研究人員、單細胞中心魏力博士介紹，微擬球藻能夠在某些環境條件下以甘油三酯（TAG）的形式儲存所固定的太陽能與二氧化碳，具有生長迅速、甘油三酯含量高、富含多不飽和脂肪酸（PUFAs）等優點。
此外，微擬球藻還具有減少二氧化碳等溫室氣體排放的能力，是生物燃料和生物材料的重要來源，在工業煙道氣處理和綠色能源方面有著廣闊的應用前景。同時，微擬球藻基因組較小且為單倍體，便於進行遺傳操作。因此，微擬球藻漸成真核微藻合成生物學研究的模式生物。
工業產油微藻在缺氮脅迫下的油脂積累過程，一直受到學界與工業界的密切關注。近十年來，已有數千篇相關文獻發表於國內外專業期刊，且諸多研究已取得進步。
記者了解到，單細胞中心團隊已藉由過表達甘油三酯合成酶的方式實現了對微擬球藻油脂組分的定製，過表達RuBisCO提高了生物質積累。韓國科學家藉由過表達轉錄因子，將微擬球藻的脂質產量提高了30%~50%。美國科學家則通過降低另一種轉錄因子的表達使脂質產量增加了一倍。
此前，單細胞中心已在轉錄組和代謝物組的基礎上構建了其機制模型，然而，轉錄組層面和代謝物組層面的實驗數據存在重要差異，無法完全用基因表達到代謝調控之間的延遲解釋。這是由於從轉錄到代謝物變化的過程中仍受到蛋白質層面的調控作用。現有的研究通常僅涉及一種調控水平，即單個基因的過表達或敲低。實際上，目前無論是微擬球藻，還是一般的含油微藻，對其蛋白質水平上的代謝網絡調控機制都知之甚少。
針對這一問題，單細胞中心遊武欣和魏力博士帶領的中德聯合研究小組，發表了微擬球藻缺氮脅迫下時間系列的蛋白質組數據，結合相對應的轉錄組與代謝物組數據，應用最新的統計分析方法，較為全面地揭示了細胞在缺氮脅迫下合成甘油三酯的過程特徵。
研究人員發現，該過程可以分為三個階段。第一階段是缺氮初期。此時細胞感受到了外界環境中氮元素的缺乏，但由於細胞內還有一定量的氮儲備，其代謝過程的變化不明顯。第二階段是缺氮中期。這一階段細胞保存的氮已大致消耗完，需要通過蛋白質降解等方式來回收胺基酸中的氮，以維持細胞關鍵代謝過程的運轉，同時光合作用與脂質代謝等過程也受到了不同程度的影響。第三階段為缺氮後期。細胞進一步提高蛋白質降解的速率，而三羧酸循環與油脂合成的速率大幅上調，光合作用速率雖有所下降但仍在進行。
這一修正後的模型更加精確地刻畫了缺氮產油過程，並進一步證明甘油三酯從頭合成對油脂積累起著主導作用，而膜脂回收僅佔脂質積累的一小部分。
進一步提高油脂產率
研究團隊建立的新模型，不僅為定向調控微藻代謝調控網絡以提升油脂產率提供了一系列新的策略與目標，也為微藻產油提高工業化產量奠定了研究基礎。
魏力告訴記者，工業產油微藻已受到各國的普遍重視。就產業現狀來看，目前，我國臺灣地區已試運行與發電廠相結合的微藻減碳處理項目；我國新奧能源控股公司已經在內蒙古建立了一個利用微藻生產生物柴油的商業工廠。而在全球範圍內，包括傳統能源生產商在內的數家公司都已經建立了試驗基地及中等級別的藻類養殖場來生產生物燃料，例如，加利福尼亞州的ExxonMobile、德國的E.ON等。
「而關於微擬球藻的翻譯後修飾（PTM）領域研究尚是一片空白，對於微藻的PTM研究也鳳毛麟角。」遊武欣補充道，「我們正在開拓這一全新的研究領域，以微擬球藻為模式生物，研究真核藻類碳代謝途徑上PTM的調節響應機制。這項工作有助於填補目前關於微藻PTM領域研究的空白，也為提高微擬球藻碳固定和油脂轉化能力提供了新的研究方向。」
已有的微藻蛋白質修飾的研究通常採用的方法局限於特定殘基上修飾的確認和功能的推測。而在已構建的蛋白質組調控模型的基礎上，嘗試對不同環境條件下蛋白質修飾的動態分析，將環境因子對蛋白質修飾的影響作為影響代謝調節網絡的重要因素之一納入考量，將為微藻PTM研究打開新的視角。
相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s13068-020-01748-2.
《中國科學報》 (2020-07-01 第3版 能源化工)