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海洋微生物與自動化——探索深海領域的另一種可能

來源:上海磐麥科技有限公司   2024年07月22日 14:23  

生命起源于海洋,地球上的氧氣約有一半由海洋光合作用所產生,而葉綠素是光合作用光能捕捉與化學能產生所需的關鍵分子,光合生命進化出復雜的捕光機制。

海洋真核藻類在大小、顏色和形態上各不相同,但它們的捕光色素-蛋白復合體中大多采用了一種陸地植物所缺乏的、名為葉綠素c的分子。葉綠素c是一類在海洋浮游生物中廣泛存在的葉綠素,它的吸收光譜主要集中在藍綠色光區域,能夠吸收波長較短的光線,因此在海洋中發揮了重要的作用。

2023年1124-28日,青島召開的全國海洋微生物學學術研討會上,來自西湖大學的李小波團隊發表了他在藻類光合作用的代謝合成酶(包括葉綠素、類胡蘿卜素),以及在缺氮等逆境條件下,這些色素含量和組成的變化。

▲藻華漩渦。2021年南大西洋的浮游植物藻華漩渦 (綠色和淺藍色)


早在202310月,李小波團隊就在Science發表題為“A chlorophyll c synthase widely co-opted by phytoplankton”(一種被浮游植物廣泛選擇的葉綠素c合成酶)的文章,揭示了葉綠素c合成酶編碼基因及該酶作用機制,挖掘了葉綠素c的生理功能,討論了該基因的演化形成與轉移。

▲從藻類中提取的各類色素(作者:李小波教授研究團隊)



綠藻在缺氮脅迫下的光合適應 /

萊茵衣藻


萊茵衣藻,是一種單細胞藻類,在缺氮條件下,氮轉運能力上調,甘油三酯等脂質積累,可以作為生物能源的前體,為了持續產生甘油三酯,需要有持續的光合作用,但是缺氮會導致黃化,葉綠素降低及能量猝滅。了解這其中的機制后,就可以讓藻類在逆境條件下繼續光合作用,把能量保持在特定的產物中,來保持產量。

為了尋找這個過程中的基因,因為是單倍體,通過隨機插入突變,不需要自交就可以看表型,將抗性基因的DNA轉入到萊茵衣藻,在抗性培養基上做篩選,產生76000個突變體。


PIXL&ROTOR+ /

自動化


人工進行篩選肯定不現實,為了提高效率,采用自動化的方式來識別和篩選菌落,并進行隨機挑取菌落,將其接種成384陣列,為了維持這個文庫,使用384針在瓊脂之間復制,可以保存文庫,也可以將文庫復制到篩選平板上,看表型變化,記錄突變體陣列的大小、顏色、熒光等表型。


▲ROTOR+高通量菌落篩選可短時間內操作酵母、真菌、細菌、微藻的高密度陣列,使用無菌復制針板,進行8438415366144密度的高通量篩選,不同密度的文庫保存等,PILX自動挑菌設備采用Pinpoint挑取技術,通過超聲波自動探測瓊脂高度,對每次挑菌進行瓊脂表面壓力探測挑取隨機菌落。

實驗篩選了384密度菌落陣列,大約有七萬多個突變,可以覆蓋微藻一萬多個基因和絕大多數非必須基因,獲得大約500個突變體有表型特異性,用于后期研究。


結果顯示有的黃化慢一點,一直保持綠色,有的黃化快一點,還有能量猝滅,很多突變體無法在缺氮的培養基上生存,有些持續保持綠色的細胞,可能黃化對細胞的生存有保護作用,從突變體中鑒定了很多基因,一部分跟電子傳遞鏈相關,也有只知道是個激酶,但作用途徑不清楚。

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