脂肪酸在細(xì)胞中以能量存儲分子、膜脂、信號分子等形式普遍存在，并廣泛應(yīng)用于生物燃料、營養(yǎng)與健康、材料化工等產(chǎn)業(yè)。作為末端含有一個羧基的脂肪族碳?xì)滏湥兼滈L度是決定脂肪酸功能、價值和用途的關(guān)鍵因素之一。
近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞中心開發(fā)了脂肪酸“全鏈長范圍”“單元鏈長精度”精準(zhǔn)可調(diào)的工業(yè)產(chǎn)油微藻，并提出工業(yè)微藻中脂肪酸鏈長調(diào)控的分子機(jī)制模型。這一成果日前發(fā)表于《代謝工程》。
據(jù)介紹，基于碳鏈長度，脂肪酸可分為短鏈、中鏈、長鏈和超長鏈4類。超長鏈脂肪酸如花生四烯酸（ARA）和二十碳五烯酸（EPA）等是人類和動物的營養(yǎng)補(bǔ)充劑，而長鏈和中鏈脂肪酸不僅是動植物脂肪的主要成分，也是抗菌劑、潤滑油、洗滌劑、表面活性劑和生物柴油等諸多工業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵成分。同時，每種鏈長的脂肪酸都有其特殊功能。因此，可持續(xù)和環(huán)境友好的脂肪酸生產(chǎn)，依賴于“全鏈長范圍”“單元鏈長精度”精準(zhǔn)可調(diào)的脂肪酸細(xì)胞工廠。
作為一種“負(fù)碳”細(xì)胞工廠，工業(yè)微藻能夠在光能驅(qū)動下，將二氧化碳和水規(guī)模化轉(zhuǎn)化成各種鏈長的脂肪酸（從C8到C22以上），但每種工業(yè)微藻脂肪酸鏈長組成通常穩(wěn)定且具有物種特異性，因而難以靈活可控地合成各種鏈長的脂肪酸分子。
針對該瓶頸問題，單細(xì)胞中心助理研究員王勤濤聯(lián)合大連理工大學(xué)副教授馮延賓研究小組，在工業(yè)產(chǎn)油微藻——海洋微擬球藻中，發(fā)現(xiàn)一個定位于細(xì)胞質(zhì)中屬于PKS系統(tǒng)的二類酯酰—ACP硫酯酶NoTE1，能提高C16和C18的含量并降低C20的含量，從而可用于理性調(diào)控長鏈和超長鏈脂肪酸的相對含量。
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，來自一種高等植物濕地萼距花的硫酯酶CpTE，能夠大幅提升C8和C10等中鏈脂肪酸在微擬球藻細(xì)胞中的比重。因此，大范圍篩選不同物種來源的硫酯酶，對于脂肪酸細(xì)胞工廠的構(gòu)建具有重要意義。
但是，CpTE的天然結(jié)構(gòu)決定了其對于C8和C10的偏好性，因此難以調(diào)控C12的含量。針對此問題，研究人員利用酶工程，理性改造了CpTE與底物鏈長選擇性相關(guān)結(jié)構(gòu)域，成功將其底物偏好性從C8和C10變成了C12。進(jìn)一步實驗證實，此命名為mCpTE的新酶能大幅度提高微擬球藻中C12含量。
研究人員聯(lián)合運(yùn)用代謝工程和蛋白質(zhì)工程，首次實現(xiàn)了微藻中“全鏈長范圍”“單元鏈長精度”的脂肪酸含量調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，研究人員還提出微擬球藻合成脂肪酸分子機(jī)制模型：細(xì)胞利用PKS途徑、去飽和延伸途徑、FAS系統(tǒng)等3條脂肪酸合成途徑，分別修飾不同碳鏈長度脂肪酸鏈長。這一機(jī)制模型為針對脂肪酸鏈長的工業(yè)產(chǎn)油微藻分子育種提供了新的實驗依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
記者了解到，在海洋微擬球藻中，單細(xì)胞中心前期已示范了基于不同飽和度的脂肪酸分子合成“定制化油脂分子”，當(dāng)前這些發(fā)現(xiàn)則進(jìn)一步證明理性調(diào)控脂肪酸鏈長的可行性。這一系列較為系統(tǒng)的研究工作，展示了微擬球藻作為一種“負(fù)碳”油脂細(xì)胞工廠服務(wù)于生物燃料、營養(yǎng)與健康、材料化工等產(chǎn)業(yè)的巨大潛力。廖洋
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