天木生物ARTP成功助力葉綠素缺陷型小球藻的選育
本期為您推薦華南理工大學(xué)魏東教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Bioresource Technology上的一篇文章：Breeding a novel chlorophyll-deficient mutant of Auxenochlorella pyrenoidosa for high-quality protein production by atmospheric room temperature plasma mutagenesis。本研究采用常壓室溫等離子體誘變技術(shù)(ARTP)，以蛋白核小球藻為原始菌株，通過多輪ARTP誘變和篩選，培育出蛋白質(zhì)含量、質(zhì)量和產(chǎn)量較高的葉綠素缺乏突變體，這樣的微藻在生產(chǎn)未來食品蛋白的方面具有應(yīng)用潛力。
近年來，隨著更多的人關(guān)注環(huán)境保護(hù)與健康飲食，人們開始尋找除動(dòng)物肉以外的替代蛋白質(zhì)。其中，微藻被認(rèn)為是一種可替代的蛋白質(zhì)來源，特別是螺旋藻和小球藻相較于傳統(tǒng)蛋白質(zhì)如肉、蛋、大豆、牛奶，有著更高的蛋白質(zhì)含量。除此之外，微藻還含有多種營養(yǎng)物質(zhì)，如多糖、多不飽和脂肪酸和維生素。此外，它們的生長周期短，不會(huì)與傳統(tǒng)作物爭奪水和空間。盡管微藻具有很多優(yōu)勢，但是由于他們顏色以及令人不舒服的氣味，目前它們的使用僅限于含有微藻粉的健康食品。這是因?yàn)槲⒃鍍?nèi)葉綠素含量高，具有強(qiáng)烈的綠色和青草味，尤其是像小球藻這樣的綠色微藻。因此，有必要通過減少或去除葉綠素來改變不利的感官特性，以增加其作為新蛋白質(zhì)來源的接受度。
目前隨機(jī)誘變技術(shù)在降低不同微藻中葉綠素含量應(yīng)用廣泛，但是化學(xué)誘變對操作者和環(huán)境都造成了嚴(yán)重的安全問題。而大氣室溫等離子體（ARTP）誘變產(chǎn)生的活性顆粒可以穿透細(xì)胞壁和膜，可以有效地對DNA造成多種損傷，導(dǎo)致突變率增加，不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，與傳統(tǒng)的紫外線輻射或化學(xué)誘變劑相比，成本低，環(huán)境友好。
研究人員首先對野生菌株進(jìn)行第一輪誘變，并在約22000個(gè)誘變庫中篩選得到4株在瓊脂平板上光照培養(yǎng)顯示淺綠色或黃色的菌株。進(jìn)一步搖瓶培養(yǎng)分析，結(jié)果表明，所有突變體的葉綠素含量均低于野生型（圖2），與此同時(shí)所有菌株的生物量未表現(xiàn)出顯著的差異。對最佳突變體A4與野生型進(jìn)行葡萄糖與硝酸鹽濃度進(jìn)行優(yōu)化，最適初始濃度為30?g/L葡萄糖和3.75?g/L硝酸鹽（圖3）。
以A4為出發(fā)菌株，對其進(jìn)行了第二輪ARTP誘變，從16個(gè)優(yōu)勢菌株中挑選出5個(gè)生長性能較好的菌株，其中最佳突變體A4-1具有預(yù)期黃色外觀和較高生物量濃度（圖4）。通過比較WT與A4和A4-1突變體的生化組成，表明A4-1突變體具有黃色表征、更快的生長速度和更高的蛋白質(zhì)含量，在感官屬性和營養(yǎng)價(jià)值方面表現(xiàn)出了極大的改善。對優(yōu)勢菌株產(chǎn)生的蛋白質(zhì)進(jìn)行氨基酸分析，結(jié)果顯示，ARTP誘變可以提高支鏈氨基酸的營養(yǎng)價(jià)值，增強(qiáng)Met和Cys的合成，同時(shí)蛋白質(zhì)的質(zhì)量也超過世衛(wèi)組織制定的人體營養(yǎng)需求。對突變體代謝產(chǎn)物譜分析表明，ARTP突變可能改變了葉綠素合成中多種關(guān)鍵酶的表達(dá)，同時(shí)增強(qiáng)了氨基酸碳骨架從頭合成，導(dǎo)致突變體中的蛋白質(zhì)含量更高（圖5，6）。本項(xiàng)研究為克服小球藻生物質(zhì)作為未來食品替代蛋白質(zhì)來源的應(yīng)用瓶頸提供了一種很有前途的方法。
圖1 本文實(shí)驗(yàn)流程
圖2 不同菌株的葉綠素含量以及生物量
圖3 不同葡萄糖和硝酸鹽攻讀生物量和蛋白質(zhì)生產(chǎn)的水平
圖4 WT，A4和第二輪誘變中突變體的細(xì)胞生長、生物量生產(chǎn)和生化成分
圖5 野生型和最佳突變體A4-1代謝產(chǎn)物譜的比較分析
圖6 WT和A4-1突變體代謝譜的比較分析
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.129907
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