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可调温控模块化插件式微藻光合底盘:可在哺乳动物体内自主破壁释放EPA
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文章科普简介（此部分由AI生成）
POPOLAR SCIENCE INTRODUCTION
给微藻装上温度开关，让产油和营养释放在体内外按需启动
海洋微拟球藻能够利用光能和CO2合成油脂及二十碳五烯酸（EPA），但想让这座“绿色工厂”高效工作，需要解决两个难题：大量产油容易拖累生长，坚硬的细胞壁又让油脂难以提取和消化。研究人员为微藻设计了一套以温度为信号的“插件式”调控系统：在25 ℃下培养积累生物量，升至35 ℃后启动不同的功能模块。接入产脂调控因子，可提高三酰甘油（TAG）积累；接入细胞壁调控模块，则能使细胞壁更易破损，改善胞内营养物质的可及性。在兔喂饲实验中，摄入细胞壁调控工程藻的动物，可在体温调控下打开细胞壁，使得兔子血液EPA水平最高比野生型藻处理组高44%。这项研究为微藻生产和营养利用提供了新的温控工具，也展示了利用哺乳动物体温区间开展响应性设计的可能。
文章背景简介
BACKGROUND INTRODUCTION
微藻可将光能与CO2转化为生物燃料原料、营养脂质和其他高值化合物，是光合生物制造的重要底盘。其中，海洋微拟球藻（Nannochloropsis oceanica）隶属于真眼点藻纲微拟球藻属，是单细胞无鞭毛海洋微藻，细胞呈近球形，直径2–4 μm，藻液呈黄绿色，含叶绿素a以及紫黄质、β-胡萝卜素等类胡萝卜素。该藻适应性强，广盐、耐强光，氮营养限制时胞内大量合成甘油三酯（TAG），油脂最高可达干重40%以上，油脂富含不饱和脂肪酸EPA，几乎不含DHA。它光合固碳效率高，可规模化培养，遗传转化体系成熟，是热门合成生物学底盘。藻源EPA无鱼油重金属富集、异味等风险，传统上用作水产育苗开口饵料，也可开发EPA藻油保健食品、饲料添加剂；同时可作为生物柴油原料，还能固定CO₂、富集水体氮磷，在碳汇与富营养化水体资源化修复方面具备应用潜力。然而，微藻产业化仍受到生物量积累、目标产物合成和下游回收之间相互制约的限制。
传统产脂诱导通常依赖营养缺乏、强光或热胁迫，这些条件在促进脂质积累的同时，也会抑制细胞生长；持续表达产物合成基因或长期削弱细胞壁，同样可能增加培养阶段的负担。此外，常用机械、化学破壁方式需要额外能耗和处理成本。温度易于监测和调节，适合用作分阶段生产的控制信号。因此，筛选微藻内源热响应启动子，并据此控制产脂和细胞壁重塑，有望实现生物量积累与功能启动在时间上的分离。
2026年6月15日，海南大学的Qinhua Gan等（通讯作者为路延笃教授等，邮箱：ydlu@hainanu.edu.cn）在《Advanced Science》期刊（IF=14.1，2026年新锐分区为综合性期刊1区）发表了题为“A Modular PLUG-IN Photosynthetic Chassis With Tunable Thermal Control for Mammalian Systems”的文章。
文章摘要
ABSTRACT
微藻是生产高值化合物的潜力光合平台，但其工业应用常受稳健生长与目标产物合成或细胞壁破坏所带来代谢负担之间的权衡所限制。对这些性状进行组成型改造会损害培养过程中细胞的适合度。本研究在海洋微拟球藻中开发了一种通用的温控“插件式”（PLUG-IN）底盘，实现对代谢产出和细胞完整性的可编程调控。通过比较转录组分析，鉴定出两个具有强热诱导活性的启动子PNoED和PNoUK，并将其用于构建模块化热诱导基因表达系统。热激活的AtWRI1表达可促进TAG和EPA积累；温度依赖性的纤维素合酶基因CesA1沉默则可快速削弱细胞壁，同时不影响适宜条件下的细胞生长。通过耦合代谢调控与细胞壁功能模块，获得了能够免研磨回收脂质、且胞内产物可及性显著改善的藻株。值得注意的是，这些经过工程化设计的温控程序在哺乳动物宿主体内仍能发挥功能，体现出跨界兼容性。本研究建立了一种与哺乳动物系统兼容的“插件式”底盘，协调了生长、生产与细胞壁重构，为光合生物生产和微藻合成生物学提供了通用平台。
思维导图（此部分由AI生成）
MIND MAP
所用到的主要方法
METHODS
（1）海洋微拟球藻培养及热诱导处理
（2）时序转录组分析与热响应启动子筛选
（3）表达载体构建与微藻高压电转化
（4）PCR与Sanger测序鉴定
（5）实时荧光定量逆转录PCR（qRT-PCR）分析
（6）eGFP报告系统及荧光显微分析
（7）尼罗红染色、薄层色谱（TLC）及气相色谱-质谱（GC-MS）脂质分析
（8）温控RNA干扰与透射电子显微镜（TEM）细胞壁分析
（9）研磨与免研磨条件下的脂质提取比较
（10）动物喂饲、粪便藻细胞完整性检测及兔血液EPA测定
（11）模拟户外热脉冲培养与生长及光合生理评价
（12）数据定量与单因素方差分析
文章的主要内容
CONTENTS
（1）海洋微拟球藻热诱导启动子的鉴定
作者比较25 ℃和35 ℃下0、3、24及48 h的转录组，发现4046个基因表现出显著的温度响应。随后依据低基础表达、25 ℃下低表达及35 ℃下强诱导等标准，筛选出14个候选启动子。该筛选为建立受温度控制的外源基因表达系统提供了内源调控元件。
（2）热诱导启动子的体内验证
将候选启动子与eGFP报告基因连接并导入海洋微拟球藻后，作者发现8个启动子具有较强热诱导响应，并进一步选出PNoED和PNoUK。在35 ℃下，二者驱动的gfp转录量于3 h内分别升至初始水平的6.1倍和5.2倍，对应工程株GFP荧光强度最高分别增加36.5倍和11.7倍。显微观察进一步验证了单细胞水平的表达响应。
（3）热诱导插件式基因模块的构建
作者将拟南芥产脂转录因子AtWRI1作为功能插件，分别置于PNoED和PNoUK下游，获得MS114和MS115工程株。升温后，AtWRI1转录水平分别提高约5.5倍和3.9倍；生长曲线及连续培养结果表明，该模块在所测试条件下能够保持诱导功能。其设计重点是先培养积累生物量，再通过温度切换启动目标功能。
（4）生物生产途径的温度调控
在35 ℃诱导48 h后，MS114和MS115的TAG产量分别较同温度野生型提高194%和35%，并伴随TAG相关多不饱和脂肪酸组成改变，其中包括EPA的增加。这说明温控模块可用于调节产脂输出。
（5）通过抑制CesA1实现条件性细胞壁脆弱化
作者构建PNoED驱动的CesA1 RNAi工程株MS121。热诱导后，CesA1转录量下降约94.6%，细胞壁厚度减少约11.7%，细胞完整性降低，培养上清中的DNA释放增加。在35 ℃且不进行细胞研磨时，MS121的脂质回收量较野生型提高53%；充分研磨后，两者未见显著差异。这一比较支持细胞壁削弱提高了胞内脂质的提取可及性，有助于减少对机械破壁的依赖。
（6）哺乳动物体温可激活插件式底盘
小鼠与兔喂饲实验显示，经消化道排出的MS121完整细胞比例低于野生型，提示工程藻更易被消化。在兔实验中，摄入MS121后第5、10和15天的血液EPA水平分别较野生型藻处理组提高20%、40%和44%。
【往期相关链接】
重组米根毛霉脂肪酶在毕赤酵母中的高效表达及其在微藻油转换成生物柴油中的应用
