脂肪酸在細胞中以能量存儲分子、膜脂、信號分子等形式普遍存在，并廣泛應用于生物燃料、營養與健康、材料化工等產業。作為末端含有一個羧基的脂肪族碳氫鏈，碳鏈長度是決定脂肪酸功能、價值和用途的關鍵因素之一。近日，中國科學院青島能源所單細胞中心開發了脂肪酸“全鏈長范圍”、“單元鏈長精度”精準可調的工業產油微藻，并提出了工業微藻中脂肪酸鏈長調控的分子機制模型。這一原創成果發表于《代謝工程》（Metabolic Engineering）。
基于碳鏈長度，脂肪酸可分為短鏈、中鏈、長鏈和超長鏈四類。超長鏈脂肪酸如花生四烯酸（ARA）和二十碳五烯酸（EPA）等是人類和動物的營養補充劑，而長鏈和中鏈脂肪酸不僅是動植物脂肪的主要成分，也是抗菌劑、潤滑油、洗滌劑、表面活性劑和生物柴油等諸多工業產品的關鍵成分。同時，每種鏈長的脂肪酸都有其特殊的功能。因此，可持續和環境友好的脂肪酸生產，依賴于“全鏈長范圍”、“單元鏈長精度”精準可調的脂肪酸細胞工廠。
作為一種“負碳”的細胞工廠，工業微藻能夠在光能驅動下，將二氧化碳和水規模化地轉化成各種鏈長的脂肪酸（從C8到C22以上），但每種工業微藻的脂肪酸鏈長組成通常穩定且具物種特異性，因而難以靈活可控地合成各種鏈長的脂肪酸分子。針對此瓶頸問題，單細胞中心的王勤濤助理研究員和大連理工大學的馮延賓副教授帶領的研究小組，在工業產油微藻——海洋微擬球藻中，發現一個定位于細胞質中屬于PKS系統的二類酯酰-ACP硫酯酶NoTE1，能提高C16和C18的含量并降低C20的含量，從而可用于理性調控長鏈和超長鏈脂肪酸的相對含量。
進一步，研究人員發現來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胞中的比重。因此，大范圍篩選不同物種來源的硫酯酶，對于脂肪酸細胞工廠的構建，具有重要意義。
但是，CpTE的天然結構決定了其對于C8和C10的偏好性，因此難以調控C12的含量。針對此問題，研究人員利用酶工程，理性改造了CpTE與底物鏈長選擇性相關的結構域，成功地將其底物偏好性從C8和C10變成了C12。進一步實驗證實，此命名為mCpTE的新酶能大幅度提高微擬球藻中C12的含量。
因此，研究人員聯合運用代謝工程和蛋白質工程，首次實現了微藻中“全鏈長范圍”、“單元鏈長精度”的脂肪酸含量調控（圖一）。在此基礎上，還提出了微擬球藻合成脂肪酸的分子機制模型：細胞利用PKS途徑、去飽和延伸途徑、FAS系統等三條脂肪酸合成途徑，分別修飾不同碳鏈長度脂肪酸的鏈長。這一機制模型為針對脂肪酸鏈長的工業產油微藻分子育種，提供了新穎的實驗依據和理論基礎。
在海洋微擬球藻中，單細胞中心前期已示范了基于不同飽和度的脂肪酸分子來合成“定制化油脂分子”（Xin，et al, Molecular Plants 2017，2019），當前這些發現則進一步證明了理性調控脂肪酸鏈長的可行性。這一系列較為系統的研究工作，展示了微擬球藻作為一種“負碳”油脂細胞工廠服務于生物燃料、營養與健康、材料化工等產業的巨大潛力。
該工作由單細胞中心徐健研究員和大連理工大學的薛松教授主持完成，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等的資助。
