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魏東教授團隊發表在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(ARTP)，以蛋白核小球藻為原始菌株，通過多輪ARTP誘變和篩選，培育出蛋白質含量、質量和產量較高的葉綠素缺乏突變體，這樣的微藻在生產未來食品蛋白的方面具有應用潛力。
近年來，隨著更多的人關注環境保護與健康飲食，人們開始尋找除動物肉以外的替代蛋白質。其中，微藻被認為是一種可替代的蛋白質來源，特別是螺旋藻和小球藻相較于傳統蛋白質如肉、蛋、大豆、牛奶，有著更高的蛋白質含量。除此之外，微藻還含有多種營養物質，如多糖、多不飽和脂肪酸和維生素。此外，它們的生長周期短，不會與傳統作物爭奪水和空間。盡管微藻具有很多優勢，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。這是因為微藻內葉綠素含量高，具有強烈的綠色和青草味，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來源的接受度。
目前隨機誘變技術在降低不同微藻中葉綠素含量應用廣泛，但是化學誘變對操作者和環境都造成了嚴重的安全問題。而大氣室溫等離子體（ARTP）誘變產生的活性顆粒可以穿透細胞壁和膜，可以有效地對DNA造成多種損傷，導致突變率增加，不會產生有毒有害物質，與傳統的紫外線輻射或化學誘變劑相比，成本低，環境友好。
研究人員首先對野生菌株進行第一輪誘變，并在約22000個誘變庫中篩選得到4株在瓊脂平板上光照培養顯示淺綠色或黃色的菌株。進一步搖瓶培養分析，結果表明，所有突變體的葉綠素含量均低于野生型（圖2），與此同時所有菌株的生物量未表現出顯著的差異。對最佳突變體A4與野生型進行葡萄糖與硝酸鹽濃度進行優化，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為出發菌株，對其進行了第二輪ARTP誘變，從16個優勢菌株中挑選出5個生長性能較好的菌株，其中最佳突變體A4-1具有預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含量，在感官屬性和營養價值方面表現出了極大的改善。對優勢菌株產生的蛋白質進行氨基酸分析，結果顯示，ARTP誘變可以提高支鏈氨基酸的營養價值，增強Met和Cys的合成，同時蛋白質的質量也超過世衛組織制定的人體營養需求。對突變體代謝產物譜分析表明，ARTP突變可能改變了葉綠素合成中多種關鍵酶的表達，同時增強了氨基酸碳骨架從頭合成，導致突變體中的蛋白質含量更高（圖5，6）。本項研究為克服小球藻生物質作為未來食品替代蛋白質來源的應用瓶頸提供了一種很有前途的方法。
圖1 本文實驗流程
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生產的水平
圖4 WT，A4和第二輪誘變中突變體的細胞生長、生物量生產和生化成分
圖5 野生型和最佳突變體A4-1代謝產物譜的比較分析
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
3