1、谢谢 伟伟1080804410808044 工程海藻的发展：改造新陈代谢途径工程海藻的发展：改造新陈代谢途径将引发一场生物技术的革命将引发一场生物技术的革命可应用于生产的工程微藻代谢途径可应用于生产的工程微藻代谢途径产品的商业价值产品的商业价值content1、Commercial applications of microalgae2、Manipulating microalgal metabolism3、Accomplishments of genetic engineering Commercial applications of microalgae 微藻作为以太阳能为动力、微藻作为以
2、太阳能为动力、能够吸收二氧化碳的生物体可能够吸收二氧化碳的生物体可以为当前的全球市场和环境做以为当前的全球市场和环境做出巨大的贡献，所以十分有必出巨大的贡献，所以十分有必要加强对微藻生物技术的关注。要加强对微藻生物技术的关注。而不断进步的培养技术和代谢而不断进步的培养技术和代谢途径中关键部位的遗传操作也途径中关键部位的遗传操作也将进一步促进工程微藻成为一将进一步促进工程微藻成为一个用于生产的许多高价值的化个用于生产的许多高价值的化合物平台。合物平台。Commercial applications of microalgae 工程微藻要应用于商业必需要降低工程微藻要应用于商业必需要降低生产生产成
3、本，如最大限度地增加脂或生产生产成本，如最大限度地增加脂或其他目的代谢产物前体的含量，增加细其他目的代谢产物前体的含量，增加细胞的生长率，实施多级增长的系统等等。胞的生长率，实施多级增长的系统等等。热点：热点：多年来，藻类生物技术公司多年来，藻类生物技术公司成功研制成功研制出一出一些产品些产品并推向市场并推向市场，如一些水产饲料，如一些水产饲料，而而目目前前最热门的最热门的发展发展方向是药物化合物和生物燃料。方向是药物化合物和生物燃料。backManipulating microalgal metabolism 操纵的细胞的代谢途径可以操纵的细胞的代谢途径可以让其合成需要的产品，也能扩大让其合
4、成需要的产品，也能扩大微藻的处理能力。微藻的处理能力。A:A:微藻处于在具体的胁迫环微藻处于在具体的胁迫环境因素中，如使用特定的营养物境因素中，如使用特定的营养物质，用特别的物质去诱导代谢，质，用特别的物质去诱导代谢，可以增加目的代谢产物；可以增加目的代谢产物；B:B:也可以通过突变或转基因也可以通过突变或转基因直接控制工程藻的代谢，得到目直接控制工程藻的代谢，得到目的代谢产物。的代谢产物。A:Environmental factors affect metabolism 有利或不利的环境因素会对一个细胞的有利或不利的环境因素会对一个细胞的代谢途径的造成严重影响。用不同的培养条代谢途径的造成严
5、重影响。用不同的培养条件培养可以刺激改变代谢，从而提供一个简件培养可以刺激改变代谢，从而提供一个简单的方法得到大量的目的代谢物。单的方法得到大量的目的代谢物。For example 海藻油海藻油 小球藻能够在异养的条件下生存，当供小球藻能够在异养的条件下生存，当供给它预制的外源碳源时，细胞内可以积累相给它预制的外源碳源时，细胞内可以积累相当于干重的当于干重的55%的油。而相比在自养的条件的油。而相比在自养的条件下为下为14%。B:Genetic transformation technologies 遗传转化是指外源遗传转化是指外源DNADNA分子临时穿分子临时穿过细胞膜进入细胞，并且过细胞膜
6、进入细胞，并且DNADNA片段最片段最终会转入细胞的核或叶绿体基因组中。终会转入细胞的核或叶绿体基因组中。这种技术遇到的问题：这种技术遇到的问题：a a：大多由：大多由于细胞膜破裂导致细胞死亡于细胞膜破裂导致细胞死亡;b b：即使存活下来外源基因很有可：即使存活下来外源基因很有可能被认为是外源基因而被消化；能被认为是外源基因而被消化；c:c:此外，此外，DNADNA片段插入细胞基因片段插入细胞基因组是随机的，这就导致了表达水平的组是随机的，这就导致了表达水平的不确定性。不确定性。a a：目前发展的几个技术提高：目前发展的几个技术提高微藻遗传转化后的生存几率：微藻遗传转化后的生存几率：1 1、搅
7、拌藻类细胞（无细胞壁、搅拌藻类细胞（无细胞壁的）、玻璃珠（微米碳化硅晶须）的）、玻璃珠（微米碳化硅晶须）和和DNADNA分子的混合物；分子的混合物；2 2、运用电子脉冲对细胞膜进、运用电子脉冲对细胞膜进行电穿孔现在已经取得了很大的行电穿孔现在已经取得了很大的成功。成功。3 3、微粒子轰炸，用金或者钨、微粒子轰炸，用金或者钨来包裹来包裹DNADNA。b b：在绿藻中除了衣藻和团澡，其他：在绿藻中除了衣藻和团澡，其他种很少具有长期稳定表达转基因蛋白质种很少具有长期稳定表达转基因蛋白质的能力，其原因可能是细胞本来具有抑的能力，其原因可能是细胞本来具有抑制外来基因的体系。制外来基因的体系。科学家最近清
8、楚的揭示这一原因是科学家最近清楚的揭示这一原因是由于单细胞藻类中由于单细胞藻类中microRNAmicroRNA基因管制系基因管制系统在其作用。采用分子生物学方法可以统在其作用。采用分子生物学方法可以解决在藻类代谢工程转基因沉默导致外解决在藻类代谢工程转基因沉默导致外源基因不稳定或被分解的显现。源基因不稳定或被分解的显现。c：微生物农杆菌能够感微生物农杆菌能够感染植物导致产生肿瘤。因此可染植物导致产生肿瘤。因此可以通过基因操作这种细菌的以通过基因操作这种细菌的T-T-DNA DNA（转移（转移DNA DNA），使肿瘤诱），使肿瘤诱导基因可取代有用基因结构，导基因可取代有用基因结构，然后可以引入
9、微藻细胞，从而然后可以引入微藻细胞，从而得到高效表达。得到高效表达。backAccomplishments of genetic engineering 尽管基因组革命波及到大尽管基因组革命波及到大部分的科学界，但是微藻研究部分的科学界，但是微藻研究人员现在才刚刚感受到一点涟人员现在才刚刚感受到一点涟漪。在过去的十年中，微型藻漪。在过去的十年中，微型藻类遗传转化取得的一些成就，类遗传转化取得的一些成就，每次都给商业的发展带来了巨每次都给商业的发展带来了巨大的契机。大的契机。a、Augmented lipid biosynthesis ASPASP（US Department of Energy
10、s US Department of Energys Aquatic Species Program Aquatic Species Program 美国能源部的水美国能源部的水生物种计划）一直关注着乙酰辅酶生物种计划）一直关注着乙酰辅酶A A羧化酶的羧化酶的过度表达来制造高脂肪含量工程藻株用来生过度表达来制造高脂肪含量工程藻株用来生产生物柴油。产生物柴油。1994 1994年，研究人员分离出硅藻小环藻中编年，研究人员分离出硅藻小环藻中编码码ACCaseACCase基因。为此，他们开发的表达载体基因。为此，他们开发的表达载体并进行了转化第一次尝试在代谢方面构建工并进行了转化第一次尝试在代谢方面
11、构建工程微藻。尽管过度表达的程微藻。尽管过度表达的ACCaseACCase没有对脂质没有对脂质合成产生重大影响，但其具体的工具和方法合成产生重大影响，但其具体的工具和方法确立的为今后的研究筑下了基础。确立的为今后的研究筑下了基础。b、Trophic conversion 自然界中一些藻类可以利用糖，有自然界中一些藻类可以利用糖，有些则不能。利用转基因技术可以让那些些则不能。利用转基因技术可以让那些不能利用糖的也具有利用糖的功能。不能利用糖的也具有利用糖的功能。团藻团藻cartericarteri是第一个转入和己糖是第一个转入和己糖/H/H+的转运的有关的基因的转运的有关的基因Hup1Hup1的
12、绿藻，的绿藻，形成的异养小球藻具有了吸收同化葡萄形成的异养小球藻具有了吸收同化葡萄糖和葡萄糖胺的能力（糖和葡萄糖胺的能力（C C1414标记）。类似标记）。类似的营养转换也在衣藻和硅藻进行，每个的营养转换也在衣藻和硅藻进行，每个显示出一个单一的基因对代谢造成了根显示出一个单一的基因对代谢造成了根本的变化所。本的变化所。c、Engineered light-harvesting antennae 微藻的叶绿体和大型捕光天线微藻的叶绿体和大型捕光天线复合物为了适应在光线较暗的情况复合物为了适应在光线较暗的情况下生长，都是紧密堆叠的。那么在下生长，都是紧密堆叠的。那么在较强的光强度下，会形成的大量的
13、较强的光强度下，会形成的大量的活性氧化物会伤害细胞，减少了光活性氧化物会伤害细胞，减少了光合效率。研究人员利用合效率。研究人员利用RNARNA干扰术干扰术调叶绿体和大型捕光天线复合物表调叶绿体和大型捕光天线复合物表达的就可以适应较强的光照条件。达的就可以适应较强的光照条件。d、Expression of recombinant proteins 工程微藻作为一种高效、工程微藻作为一种高效、快速的、无污染的表达系统，快速的、无污染的表达系统，同时还具有蛋白质折叠机制和同时还具有蛋白质折叠机制和翻译后修饰系统，在各种蛋白翻译后修饰系统，在各种蛋白质的生产明显具有的优势。质的生产明显具有的优势。生物
14、柴油生物柴油 生物柴油即脂肪酸甲酯，是一种可生物降解、无毒的生物柴油即脂肪酸甲酯，是一种可生物降解、无毒的可再生能源。藻类具有光合作用效率高、环境适应能可再生能源。藻类具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短、生物产量高的特点，因此藻类是力强、生长周期短、生物产量高的特点，因此藻类是制备生物柴油燃料的良好材料。制备生物柴油燃料的良好材料。应用细胞培养技术（异养发酵技术）控制有机与无机应用细胞培养技术（异养发酵技术）控制有机与无机碳、氮源的供给，获得叶绿素消失、细胞变黄的异养碳、氮源的供给，获得叶绿素消失、细胞变黄的异养小球藻。异养小球藻细胞中油脂类化合物大大增加，小球藻。异养小球藻细胞中
15、油脂类化合物大大增加，蛋白质含量下降。与未经转化的自养藻相比，异养藻蛋白质含量下降。与未经转化的自养藻相比，异养藻细胞的粗脂肪含量提高了细胞的粗脂肪含量提高了 4 4倍以上。完成一个批次的倍以上。完成一个批次的细胞工程周期为细胞工程周期为 7 7 天左右。天左右。可以淀粉为原料发酵生产富营养油脂，可以淀粉为原料发酵生产富营养油脂，完成实验室规模的全部工艺，与常规完成实验室规模的全部工艺，与常规制备技术比较，成本下降制备技术比较，成本下降 5 58 8倍，油倍，油脂含量达脂含量达 9999以上。以上。在微藻油脂中加入一定量的甲醇，加在微藻油脂中加入一定量的甲醇，加热至一定的温度，在酸催化剂作用下，热至一定的温度，在酸催化剂作用下，反应生成生物柴油。微藻生物柴油的反应生成生物柴油。微藻生物柴油的密度为密度为0.864kgl-10.864kgl-1、粘度、粘度5.25.210-10-4(40 C)4(40 C)、热值高达、热值高达41 MJ kg-141 MJ kg-1，这，这些特征与传统柴油相当。些特征与传统柴油相当。
