第5集 碳链长度可精准调控的球藻脂肪酸生物合成技术

　　目前，人类所利用的能源绝大部分仍然来自化石燃料。

　　根据2017年《BP世界能源统计年鉴》，全球煤炭、石油、天然气储存量分别为1.14万亿吨，1.71万亿桶和187万亿立方米，分别仅能够维持153年，50.6年和52.5年的全球生产需要。同时，由于化石能源在全球能源消耗结构中比重过大，导致CO2、SO2等过度排放，引发了包括全球变暖在内的一系列环境问题。

　　习近平主席在2020年第75届联合国大会郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”这意味着中国将加快推进生产方式和消费行为的低碳转型，为新能源发展助力造势，贡献“中国方案”。与低碳转型国家战略密切相关的生物技术，正在时刻改变着现代中国经济。随着基因组学与系统生物学在20世纪90年代的迅猛发展，科学家尝试在现代生物学与系统生物学的基础上引入工程学，合成生物学在21世纪初应运而生。

　　合成生物技术是结合科学和工程的崭新生物技术，借助生命体高效的代谢系统，通过基因编辑技术改造微生物生命体，使得在生物体内定向、高效组装物质和材料逐步成为可能，在生物医药、生物材料、生物燃料、农业等领域具有广阔的应用前景。

　　微藻

　　说起微藻，你能想到什么？

　　是漂浮在水面上、水生动物食物链最底端、用显微镜才能辨别其形态的微小生物？

　　是诸如螺旋藻这样早已广为人知的保健品？还是餐桌上的地皮菜？

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　　你能把这小小的微藻和能源革命挂上钩吗？

　　你知道这微不足道的微藻能造出生物柴油吗？

　　你想到过它能够用于工厂，起到固碳、减少有害气体排放、净化废水的作用吗？

　　微藻，是一种古老的生命体，地球演化过程中氧气的主要缔造者，高等植物进化过程中的共同原始祖先，地球生态系统中近90%的氧气制造者，初级生产力的主要贡献者。

　　藻类通常是指水生的光合生长的低等“植物”。与植物一样，微藻具有光合色素（叶绿素等），可进行光合作用，即利用阳光、二氧化碳和水合成生物质并进行生长，但微藻没有根茎叶的分化。微藻种类繁多，然而目前实现商业化生产的微藻数量并不是很多，主要有螺旋藻、小球藻、雨生红球藻、杜式盐藻、寇式隐甲藻、微拟球藻等，还有诸如鞭金藻、三角褐指藻、扁藻、角毛藻、海链藻等用于水产养殖的生物饵料。

　　微藻能高效地利用光能、二氧化碳和水进行光合作用，产生氧气并合成碳水化合物，通过进一步生化反应，合成蛋白质、油脂等多种营养物质。与其他植物相比（玉米、大豆等），微藻的生长速率更快，单位土地面积所产出的生物量更多。同时，微藻在生长过程中吸收大量的氮、磷等无机元素。因此，微藻可以作为食物，可用来固碳、净化空气及处理废水。

　　碳链长度可精准调控的球藻脂肪酸生物合成技术

　　2021年4月3日，中科院青岛能源所单细胞中心发布了脂肪酸“全链长范围”、“单元链长精度”精准可调的工业产油微藻，并提出了工业微藻中脂肪酸链长调控的分子机制模型。当天，这一原创成果在《代谢工程》(Metabolic Engineering)发表。

　　作为一种“负碳”细胞工厂，微藻能够在光能驱动下，将二氧化碳和水大规模地转化成各种链长的脂肪酸（从C8到C22以上）。长链和中链脂肪酸不仅是动植物脂肪的主要成分，也是抗菌剂、润滑油、洗涤剂、表面活性剂和生物柴油等诸多工业产品的关键成分。但每种工业微藻的脂肪酸链长组成通常稳定且具物种特异性，因而难以灵活可控地合成各种链长的脂肪酸分子。

　　针对此瓶颈问题，中科院青岛能源所单细胞中心的王勤涛助理研究员和大连理工大学的冯延宾副教授带领的研究小组，在工业产油微藻——海洋微拟球藻中，发现一个定位于细胞质中属于PKS系统的二类酯酰-ACP硫酯酶NoTE1，能提高C16和C18的含量并降低C20的含量，从而可用于理性调控长链和超长链脂肪酸的相对含量。进一步，研究人员发现来自一种高等植物湿地萼距花（Cuphea palustris）的硫酯酶CpTE，能够大幅提升C8和C10等中链脂肪酸在微拟球藻细胞中的比重。因此，大范围筛选不同物种来源的硫酯酶，对于脂肪酸细胞工厂的构建，具有重要意义。

　　研究人员联合运用代谢工程和蛋白质工程，首次实现了微藻中“全链长范围”、“单元链长精度”的脂肪酸含量调控。在此基础上，还提出了微拟球藻合成脂肪酸的分子机制模型：细胞利用PKS途径、去饱和延伸途径、FAS系统等三条脂肪酸合成途径，分别修饰不同碳链长度脂肪酸的链长。这一机制模型为针对脂肪酸链长的工业产油微藻分子育种，提供了新颖的实验依据和理论基础。

　　从功能活性物到基础原料工厂

　　过去个人护理界对于微藻的认识仅仅停留在功能活性物层面。例如，雨生红球藻中的虾青素由于强大的抗氧化性能，添加到护肤品，具有防紫外线、抗光老化、抗氧化等作用。同时，微藻提取混合物，主要有蛋白、脂肪酸、胡萝卜素、多糖等也常作为护肤和药妆品的添加剂，具有清除老化皮肤细胞，保持皮肤健康的功能。例如已经上市的，主打微藻来源的功能活性的护肤Algenist的美国护肤品牌。

　　从C6到C22脂肪酸，是化妆品工业的重要基础原料，无论是清洁剂、发泡剂、乳化剂、增溶剂、润肤剂等，都离不开碳链脂肪酸基础原料。目前我国天然脂肪酸脂肪醇产业上游高度依赖东南亚进口椰子油资源，来源比较单一。中科院青岛能源所的科研成果，进一步证明了精准调控脂肪酸链长的可行性。这一系列较为系统的研究工作，展示了微拟球藻作为一种“负碳”油脂细胞工厂，提供不同碳链的脂肪酸、脂肪醇及其衍生物，进而服务于家居护理和个人护理行业的巨大潜力！

　　参考资料：

　　[1]https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33823272/

　　[2]《开发脂肪酸链长精准可调的工业产油球藻》：遇见生物合成

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