科研人員開發出「油脂結構定製化」的微藻細胞工廠

甘油三酯（TAG）是地球上能量載荷最高、結構最多元的生物大分子之一，因此它們是地球上動物、植物和人體中能量與碳源的存儲載體與通用貨幣，也是生物柴油的重要來源。每個TAG分子由一個甘油分子和其上搭載的三個脂肪酸（FA）分子構成，後者的飽和度與碳鏈長度等特徵，決定了TAG分子的營養功效、燃油特性與經濟價值。是否能夠「定製化設計」TAG上這三個FA的組成，來服務於精準健康與特種生物燃料合成呢？中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心證明，自然界中存在對於二十碳五烯酸（EPA）、亞油酸（LA）等多不飽和脂肪酸分子（PUFAs）具有選擇性的II型二醯甘油醯基轉移酶（DGAT2），並基於此示範了TAG之PUFA組成「定製化」的工業微藻細胞工廠。這一發現為利用合成生物學手段，生產自然界不存在或稀有的、具有特殊燃料特性或營養功效的「特種TAG」打開了大門。這一成果在線發表於Molecular Plant。

微擬球藻（Nannochloropsis spp.）是一種能夠將陽光、海水和二氧化碳直接轉化為TAG的工業產油微藻，在世界各地作為一種燃料細胞工廠和高值餌料藻規模培養。其藻油中同時含有飽和脂肪酸（SFAs）、單不飽和脂肪酸（MUFAs）與PUFAs。如果MUFAs含量高，藻油較適合作為優質液體燃料，服務於能源市場；而如果PUFAs含量高，藻油則更適合作為人體保健品。單細胞中心前期在微擬球藻發現了三個DGAT2，分別對於SFAs、MUFAs和PUFAs這三大類FA具有一定的底物偏好性（Xin, et al, Mol Plant, 2017）。但是，PUFAs中涵蓋了數十種不同飽和度和鏈長的FA分子，其化學特性不同、營養功效各異，能否在單種PUFA分子的精度，實現TAG分子的理性設計呢？

針對上述問題，青島能源所單細胞中心辛一、申琛等人在微擬球藻中又發現了兩個全新的DGAT2蛋白元件，它們均在葉綠體上參與了TAG組裝，卻分別對二十碳五烯酸（EPA）和亞油酸（LA）具有特異的底物偏好性。繼而通過在微擬球藻中調節上述DGAT2的轉錄水平，實現了TAG分子上EPA和LA組成的理性控制（圖1）。EPA和LA均屬於「人體必需脂肪酸」，人體自身無法合成，必須從食物中獲得。EPA對於治療冠狀動脈心臟病、高血壓和炎症有效，而LA則能降低血液膽固醇，預防動脈粥樣硬化。因此，工業微藻TAG中EPA和LA組成可控性的證明，為大規模、低成本合成自然界中稀少或不存在、卻具特殊藥物功效或燃料特性的TAG分子奠定了基礎。同時，這種通過利用油脂組裝元件之間不同的底物選擇性，來理性設計TAG分子結構的方法，為基於工業微藻乃至動植物底盤來規模生產「精準燃料」和「精準營養」提供了嶄新思路。

該項目由青島能源所單細胞中心研究員徐健主持，與中科院水生生物研究所研究員胡強、韓丹翔等合作完成，得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金和青島能源所「一三五」項目的支持。

圖：工業產油微藻中甘油三酯（TAG）分子結構的理性設計

來源：中國科學院青島生物能源與過程研究所

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