Генетическая манипуляция для производства биотоплива из водорослей

Исследование генов, участвующих в синтезе масла у микроводорослей, позволило ученым использовать промотор гена для увеличения производства триацилглицеринов, что повышает потенциальный выход биотоплива.

Биотопливо — это экологически чистый, недорогой и возобновляемый источник энергии. Ученые все больше интересуются потенциалом крупномасштабного синтеза масла из микроводорослей.

Хироюки Ота из Токийского технологического института с коллегами нашел способ усилить производство жировых молекул — триацилглицеринов (TAG) — у штамма микроводорослей Nannochloropsis NIES-2145, увеличив синтез масла.

TAG — это класс липидов, основа для биотоплива. Известно, что микроводоросли производят больше TAG в условиях стресса, например, при недостатке фосфора. У водоросли Chlamydomonas reinhardtii при фосфорном голодании быстро накапливаются TAG из-за сверхэкспрессии фермента CrDGTT4, которую запускает промотор гена SQD2.

Команда обнаружила у NIES-2145 гомолог гена SQD2, что указывает на общую систему регуляции экспрессии у разных видов водорослей в ответ на стресс. Ученые ввели в NIES-2145 как ген CrDGTT4 из C. reinhardtii, так и его промотор SQD2. Эксперимент удался: промотор SQD2 смог запустить экспрессию CrDGTT4 в NIES-2145 при фосфорном голодании, не нарушив структуру мембран водоросли. Производство TAG увеличилось, а включение олеиновой кислоты (предпочтительного субстрата для CrDGTT4) в молекулы TAG усилилось.

Результаты указывают на возможность манипулировать производством TAG, а значит, и выходом биотоплива, у различных штаммов микроводорослей.

Биотопливо и роль водорослей

Использование биотоплива имеет преимущества: выбросы ниже, чем у ископаемого топлива, и оно быстрее разлагается в природе. Однако при сжигании, как и ископаемое топливо, оно выделяет оксиды азота, ответственные за смог.

Мотивацией исследования является возможность использовать потенциал водорослей, оцениваемый в 40–50 тысяч литров масла с гектара в год. Изучив модельный организм Chlamydomonas reinhardtii, команда начала находить генетические корреляции с другими штаммами водорослей. Использование этих общих молекулярных механизмов может стать ключом к управлению будущим производством биотоплива.

Значение исследования

Ключевой вывод: ген SQD2, по-видимому, распространен у многих типов водорослей. Промотор SQD2 из одного типа водорослей можно использовать для запуска сверхэкспрессии фермента CrDGTT4 и увеличения выхода TAG у другого штамма. Это говорит о том, что генетическая манипуляция с промотором SQD2 может повысить выход масла у различных водорослей.

Для применения метода в промышленных масштабах необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять процессы ремоделирования липидов у водорослей при фосфорном голодании.