Genetischer Sensor für blaues Licht verdoppelt die Ölproduktivität in industriellen Mikroalgen

Mikroalgen, Algen, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, absorbieren Kohlendioxid und produzieren Öle, die als Biokraftstoffe verwendet werden können. Diese Biokraftstoffe, die CO2-negativ sein können, bieten eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen fossilen Kraftstoffen. Die biologischen Prozesse, die es diesen Mikroalgen ermöglichen, Öle zu produzieren, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden.

Jetzt hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Xu Jian vom Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einen genetischen Sensor für blaues Licht entdeckt, der die Ölsynthese in einer industriellen Mikroalge reguliert untersuchten diese Entdeckung, um die Mikroalgenproduktivität von Ölen zu verdoppeln.

Sie schlugen eine neue Technologie namens Blue-Light Induced Oil Synthese (BLIO) vor, die große Auswirkungen auf die auf Mikroalgen basierende Umwandlung von Kohlendioxid in Biokraftstoffe hat.

Ihre Ergebnisse wurden am 29. März veröffentlicht Naturkommunikation.

In den ölproduzierenden Algen, sogenannten öligen Mikroalgen, führen Umweltbelastungen wie Nährstoffmangel, starkes Licht oder Hitze typischerweise dazu, dass sich das Öl anreichert. Diese Öle mit hoher Energiedichte sind Triacylglycerole (TAGs), Vorläufer für Biodiesel. Mikroalgen sind aufgrund ihres schnellen Wachstums und ihres hohen Ölgehalts ein vielversprechendes Ausgangsmaterial für die TAG-Produktion.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass die Ölproduktion Teil der Reaktion von Mikroalgenzellen auf Umweltstress ist, aber die Nutzung dieses Wissens für eine höhere Ölproduktivität ist schwierig, da sie nicht vollständig verstehen, wie der Prozess funktioniert.

Das Forschungsteam von QIBEBT hat lange nach einem besseren Weg gesucht, um die Ölproduktivität in Mikroalgen zu induzieren. „Neue Umweltreize, die eine effiziente und präzise Steuerung der zellulären TAG-Montage ermöglichen, ohne die Biomasseproduktivität zu beeinträchtigen, sind sehr wünschenswert“, sagte Zhang Peng, Postdoktorand am Single-Cell Center von QIBEBT.

Das Team untersucht seit über einem Jahrzehnt die industrielle ölhaltige Mikroalge Nannochloropsis oceanica, eine Art mariner Mikroalgen, die hochwertige Öle aus Meerwasser und CO2 produzieren kann.

Ihre lange Reise auf der Suche nach einem neuen Stimulus, den sie für die Ölförderung genauer steuern können, führte sie schließlich zu blauem Licht. Das Forscherteam entdeckte einen bisher unbekannten Signalweg „BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B“.

Wenn Nährstoffe wie Stickstoff reichlich vorhanden sind, würde ein blaulichtempfindlicher Regulator namens NobZIP77 die TAG-Produktion in der Mikroalge abschalten, indem er die Expression von ölproduzierenden Enzymen wie NoDGAT2B hemmt. „Wenn jedoch Stickstoff aufgebraucht ist, wird Chlorophyll a, das normalerweise blaues Licht absorbiert, reduziert, was dazu führt, dass mehr blaues Licht in den Kern eintritt, in dem sich NobZIP77 befindet. Die erhöhte Exposition von NobZIP77 gegenüber blauem Licht entsperrt seine hemmende Wirkung auf TAG-synthetische Enzyme und setzt NoDGAT2B frei, um mehr TAGs zu produzieren.“ erklärte Zhang Peng.

„Ein solch prägnanter Mechanismus, der die Lichterfassung mit der TAG-Synthese verbindet, war bisher nicht bekannt und daher ziemlich aufregend“, fügte Xin Yi, außerordentlicher Professor am Single-Cell Center, hinzu.

Basierend auf diesen Erkenntnissen erfand das Team die BLIO-Technologie, bei der die von NobZIP77 entfernte Mikroalge zuerst weißem Licht und dann blauem Licht ausgesetzt wird. Dies führt zu einer Spitzenproduktivität von TAG, die doppelt so hoch ist wie bei unmodifizierter Mikroalge unter konstantem Weißlicht.

„Lichtqualität ist ein äußerst wünschenswertes Kontrollinstrument. Daher weist unsere Entdeckung in dieser Studie auf eine neue Richtung in der Rohstoffentwicklung, dem Design von Photobioreaktoren oder der Bioprozesskontrolle“, sagte Xu Jian, Leiter des Single-Cell-Zentrums und leitender Autor von die Studium.

Die Forscher glauben, dass dieser genetische Mechanismus in Mikroalgen und höheren Pflanzen weit verbreitet ist, und stellen sich eine Zukunft vor, in der die BLIO-Technologie und ihre Varianten zu Umständen beitragen, in denen eine hocheffiziente Umwandlung von CO2 in Öle oder andere Makromoleküle erforderlich ist.