作者:沈春蕾 王静 来源:中国科学报 发布时间:2017-11-6
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微藻固碳制油迈入“定制化”时代

 

■本报记者 沈春蕾 通讯员 王静

“我们通过工业微藻中甘油三酯分子组装机制的阐明与调控,实现了藻油饱和度的人工理性设计,从而证明了藻油品质能够‘定制化’。”中国科学院青岛生物能源与过程所单细胞中心主任徐健告诉《中国科学报》记者。

10月27日,国际植物学期刊《分子植物》(Molecular Plant)发布了单细胞中心牵头的联合研究团队在工业微藻固碳制油领域的最新研究成果。

二氧化碳变生物柴油

二氧化碳过度排放是全球气候变暖的罪魁祸首之一,因此,如何实现二氧化碳的高效捕获、利用与存储已成为人类社会的重大挑战。

微藻是自然界中捕获、利用与存储二氧化碳的微小“巨人”。徐健介绍:“它们能够利用取之不尽的太阳能,将二氧化碳和水规模化、直接地合成为高能量密度的甘油三酯分子。而这些油脂分子是制备生物柴油,也是提取高不饱和脂肪酸等营养保健品的原料。”

作为一种潜在的清洁能源生产、碳减排和二氧化碳高值化的规模化方案,微藻能源在国内外受到了广泛关注。

在微藻世界有一类叫微拟球藻,这是一种在世界各地均可室外大规模培养的工业产油微藻。徐健指出:“它们具有生长速度快、二氧化碳耐受能力强、积累油脂强劲、海水淡水均可培养等突出优点,因此已成为国内外生物能源领域的主要研究模式与产业代表藻种之一。”

由青岛能源所单细胞中心牵头的包括美国马里兰大学、北京大学、中科院水生生物所等在内的国际合作团队,通过阐明与调控微拟球藻中一系列内源II型二酰甘油酰基转移酶(DGAT2)的分工与合作机制,证明工业微藻的藻油饱和度能够定制化地人工设计,从而将微藻细胞工厂推入“藻油品质定制化”(“Designer Oil”)时代。

控制“三兄弟”力量比例

徐健进一步指出,在微拟球藻生产的藻油中,同时含有饱和脂肪酸(SFA)、单不饱和脂肪酸(MUFA)与多不饱和脂肪酸(PUFA)。如果MUFA含量高,藻油适合作为优质液体燃料,服务于能源市场;而如果PUFA(如EPA等)含量高,藻油则更适合作为人体保健品,服务于营养品与食品市场。

不难发现,饱和度是决定藻油的品质、用途与经济价值的最关键因素之一。但是,能否基于工业微藻底盘细胞,实现藻油饱和度的理性设计呢?

对此,团队提出大胆设想,如果能够在同一底盘细胞中实现SFA、MUFA、PUFA比例的人为调控甚至理性设计,就能实现藻油品质、用途与价值的高度可控与灵活切换。“这一细胞工厂特性对于适应多变的生物能源市场需求、最大程度降低产品生产与切换的成本具有重要意义。”单细胞中心该项目负责人辛一博士说。

徐健作了一个形象的比喻,在我们最新的微拟球藻油脂合成机制模型中,分别来自于三个不同远古祖先的“三兄弟”(II型二酰甘油酰基转移酶编码基因),它们长期在同一屋檐下的“生活相处”中,共进化形成了迥异却互补的底物偏好性,喜欢分别将饱和、单不饱和与多不饱和脂肪酸装配上甘油三酯分子骨架。“它们通过精妙的功能分工与时空协作,共同操作着细胞中甘油三酯大分子合成的流水线。”

利用这些发现,研究人员通过人为控制“三兄弟”的力量比例,实现了甘油三酯中SFA、MUFA与PUFA比重的理性设计,从而生产出了饱和度“定制化”的藻油。

建工业微藻细胞工厂

近年来,随着火星与深空探测、深海深渊探险乃至深地科考的蓬勃兴起,世界各国陆续进入三深探索领域,与之相关的科技和技术革新也层出不穷。其中,可循环的再生型生命保障系统一直是研究热点。因此这一工作对于设计与构建人类在极端环境下的生存支撑系统具有特殊的战略价值。

单细胞中心选取的光能自养型微藻具有原料来源充足、养分需求简单、生长快速、营养丰富、采收周期短、碳流与能量自循环等特性,被认为是最适合应用于极端环境下的人类生存支撑系统之一。

因此,该工作为建立定制化、产品灵活可控的“单碳光合多联产平台”,满足人类在极端环境下对生物燃料和各种营养物质的需求,提供了崭新的思路与手段。

辛一进一步介绍道,在微拟球藻中的二酰甘油酰基转移酶基因还有8个,加上上文提及的3个,一共11个,它们是催化甘油三酯合成中的最后一步,也是关键一步。

那么,其他的兄弟姐妹们在甘油三酯装配流水线上的特长与分工又是如何呢?在下一步工作中,国际团队将逐步阐明这些问题,从而构建出更加高效可控的工业微藻细胞工厂,服务于先进生物燃料生产、二氧化碳捕获与高值化,以及人类生存自循环系统的设计。

《中国科学报》 (2017-11-06 第6版 院所)
 
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2017/11/6 15:34:41 jxz1963
这个文章太重要了,从理论上解决了微生物油脂的关键技术!
目前已有1条评论
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