脂肪酸在細(xì)胞中以能量存儲(chǔ)分子、膜脂、信號(hào)分子等形式普遍存在，并廣泛應(yīng)用于生物燃料、營(yíng)養(yǎng)與健康、材料化工等產(chǎn)業(yè)。作為末端含有一個(gè)羧基的脂肪族碳?xì)滏?，碳鏈長(zhǎng)度是決定脂肪酸功能、價(jià)值和用途的關(guān)鍵因素之一。近日，中國(guó)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)出脂肪酸“全鏈長(zhǎng)范圍”、“單元鏈長(zhǎng)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(zhǎng)調(diào)控的分子機(jī)制模型，相關(guān)研究成果發(fā)表在《代謝工程》上。

基于碳鏈長(zhǎng)度，脂肪酸可分為短鏈、中鏈、長(zhǎng)鏈和超長(zhǎng)鏈四類。超長(zhǎng)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(dòng)物的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑，而長(zhǎng)鏈和中鏈脂肪酸是動(dòng)植物脂肪的主要成分，也是抗菌劑、潤(rùn)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。每種鏈長(zhǎng)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(zhǎng)范圍”、“單元鏈長(zhǎng)精度”精準(zhǔn)可調(diào)的脂肪酸細(xì)胞工廠。

作為一種“負(fù)碳”的細(xì)胞工廠，工業(yè)微藻能夠在光能驅(qū)動(dòng)下，將二氧化碳和水規(guī)?；剞D(zhuǎn)化成各種鏈長(zhǎng)的脂肪酸（從C8到C22以上），但每種工業(yè)微藻的脂肪酸鏈長(zhǎng)組成通常穩(wěn)定且具物種特異性，因而難以靈活可控地合成各種鏈長(zhǎng)的脂肪酸分子。為此，青島能源所單細(xì)胞中心助理研究員王勤濤和大連理工大學(xué)副教授馮延賓帶領(lǐng)的研究小組，在工業(yè)產(chǎn)油微藻——海洋微擬球藻中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)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，可提高C16和C18的含量并降低C20的含量，從而可用于理性調(diào)控長(zhǎng)鏈和超長(zhǎng)鏈脂肪酸的相對(duì)含量。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，來(lái)自一種高等植物濕地萼距花（Cuphea palustris）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(lái)源的硫酯酶，對(duì)于脂肪酸細(xì)胞工廠的構(gòu)建具有重要意義。然而CpTE的天然結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)于C8和C10的偏好性，因此難以調(diào)控C12的含量。為解決該問題，研究人員利用酶工程理性改造了CpTE與底物鏈長(zhǎng)選擇性相關(guān)的結(jié)構(gòu)域，將其底物偏好性從C8和C10變成C12。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證實(shí)，命名為mCpTE的這一新酶能大幅度提高微擬球藻中C12的含量。

該研究聯(lián)合運(yùn)用代謝工程和蛋白質(zhì)工程，首次實(shí)現(xiàn)微藻中“全鏈長(zhǎng)范圍”、“單元鏈長(zhǎng)精度”的脂肪酸含量調(diào)控（如圖），并在此基礎(chǔ)上提出微擬球藻合成脂肪酸的分子機(jī)制模型：細(xì)胞利用PKS途徑、去飽和延伸途徑和FAS系統(tǒng)三條脂肪酸合成途徑，分別修飾不同碳鏈長(zhǎng)度脂肪酸的鏈長(zhǎng)。該機(jī)制模型為針對(duì)脂肪酸鏈長(zhǎng)的工業(yè)產(chǎn)油微藻分子育種提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

在海洋微擬球藻中，青島能源所單細(xì)胞中心科研人員前期已示范了基于不同飽和度的脂肪酸分子來(lái)合成“定制化油脂分子”（Xin, et al, Molecular Plants, 2017, 2019），該研究則進(jìn)一步證明了理性調(diào)控脂肪酸鏈長(zhǎng)的可行性。一系列研究工作展出微擬球藻作為一種“負(fù)碳”油脂細(xì)胞工廠服務(wù)于生物燃料、營(yíng)養(yǎng)與健康、材料化工等產(chǎn)業(yè)的巨大潛力。

研究工作由青島能源所單細(xì)胞中心研究員徐健和大連理工大學(xué)教授薛松主持完成，并得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的支持。

論文鏈接

在單細(xì)胞中心開發(fā)的海洋微擬球藻中，脂肪酸分子像孫悟空手中的金箍棒，其長(zhǎng)度精準(zhǔn)可調(diào)。