中科院青岛能源所开发出脂肪酸链长精准可调的工业产油微藻

科技日报记者 王健高 通讯员 刘佳

4月16日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，该所单细胞中心开发了脂肪酸“全链长范畴”“单位链长精度”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（图一）。这一原创成就颁发于《代谢工程》（Metabolic Engineering）。该科研工作由单细胞中心徐健研究员和大连理工大学的薛松传授主持完成。

脂肪酸在细胞中以能量存储分子、膜脂、信号分子等形式普遍存在，并广泛应用于生物燃料、营养与健康、质料化工等财富。作为末端含有一个羧基的脂肪族碳氢链，碳链长度是决定脂肪酸功能、价值和用途的关键因素之一。

图一、在单细胞中心开发的海洋微拟球藻中，脂肪酸分子就像孙悟空手中的金箍棒，其长度精准可调。受访者提供

基于碳链长度，脂肪酸可分为短链、中链、长链和超长链四类。超长链脂肪酸如花生四烯酸（ARA）和二十碳五烯酸（EPA）等是人类和动物的营养增补剂，而长链和中链脂肪酸不只是动植物脂肪的主要身分，也是抗菌剂、润滑油、洗涤剂、外貌活性剂和生物柴油等诸多工业产物的关键身分。同时，每种链长的脂肪酸都有其非凡的功能。因此，可连续和环境友好的脂肪酸出产，依赖于“全链长范畴”“单位链长精度”精准可调的脂肪酸细胞工厂。

作为一种“负碳”的细胞工厂，工业微藻能够在光能驱动下，将二氧化碳和水规模化地转化成各类链长的脂肪酸（从C8到C22以上），但每种工业微藻的脂肪酸链长组成凡是不变且具物种特异性，因而难以灵活可控地合成各类链长的脂肪酸分子。

如何解决此瓶颈问题？该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传授辅导的研究小组，在工业产油微藻——海洋微拟球藻中，发明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。

研究人员进一步发明来自一种高档植物湿地萼距花（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，大范畴筛选差异物种来源的硫酯酶，对付脂肪酸细胞工厂的构建，具有重要意义。

但是，CpTE的天然布局决定了其对付C8和C10的偏好性，因此难以调控C12的含量。针对此问题，研究人员操作酶工程，理性改革了CpTE与底物链长选择性相关的布局域，乐成地将其底物偏好性从C8和C10酿成了C12。进一步尝试证实，此命名为mCpTE的新酶能大幅度提高微拟球藻中C12的含量。

因此，研究人员联合运用代谢工程和卵白质工程，首次实现了微藻中“全链长范畴”“单位链长精度”的脂肪酸含量调控（图一）。在此根本上，提出了微拟球藻合成脂肪酸的分子机制模型：细胞操作PKS途径、去饱和延伸途径、FAS系统等三条脂肪酸合成途径，别离修饰差异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，提供了新颖的尝试依据和理论根本。

在海洋微拟球藻中，该所单细胞中心前期已示范了基于差异饱和度的脂肪酸分子来合成“定制化油脂分子”（Xin, et al, Molecular Plants, 2017, 2019），当前这些发明则进一步证明了理性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”油脂细胞工厂处事于生物燃料、营养与健康、质料化工等财富的巨大潜力。