Nanochloropsis -Nannochloropsis

Nanochloropsis
15 3klein2.jpg
Nannochloropsis oglądany pod mikroskopem świetlnym
Klasyfikacja naukowa mi
Klad : SAR
Gromada: Ochrophyta
Klasa: Eustigmatophyceae
Zamówienie: Eustigmatale
Rodzina: Monodopsidaceae
Rodzaj: Nannochloropsis
D.J.Hibberd, 1981
Rodzaj gatunku
Nannochloropsis oculata
(Spadek 1955) Hibberd 1981

Nannochloropsis to rodzaj z alg , zawierających sześć znanych gatunków . Do rodzaju w obecnym klasyfikacji taksonomicznej najpierw określany przez Hibberd (1981). Do gatunków zostały w większości znanych ze środowiska morskiego, ale również występuje w świeżej i wody słonej. Wszystkie gatunki są małymi, nieruchomymi kulami, które nie wykazują żadnych wyraźnych cech morfologicznych, które można by odróżnić za pomocą mikroskopii świetlnej lub elektronowej . Charakterystykę przeprowadza się głównie za pomocą analizy genu rbcL isekwencji 18S rRNA .

Glony z gatunku Nannochloropsis różnią się od innych związanych z mikroalg , że mają one chlorofil i całkowity brak chlorofilu b i chlorofilu C . Ponadto są w stanie tworzyć wysokie stężenia różnych pigmentów, takich jak astaksantyna , zeaksantyna i kantaksantyna . Mają średnicę około 2 do 3 mikrometrów i bardzo prostą ultrastrukturę o zredukowanych elementach strukturalnych w porównaniu do sąsiednich taksonów.

Nannochloropsis jest uważana za obiecującą algę do zastosowań przemysłowych ze względu na jej zdolność do akumulacji wysokich poziomów wielonienasyconych kwasów tłuszczowych . Co więcej, wykazuje obiecujące cechy, które mogą pozwolić na manipulację genetyczną ukierunkowaną na poprawę genetyczną obecnych szczepów oleistych . Różne gatunki Nannochloropsis rzeczywiście mogą być transfekowane i istnieją dowody na to, że niektóre szczepy są zdolne do przeprowadzania rekombinacji homologicznej. Obecnie jest używany głównie jako wysokoenergetyczne źródło pokarmu dla larw ryb i wrotków . Niemniej jednak wzbudził rosnące zainteresowanie także badaniami nad produkcją biopaliw z organizmów fotosyntetycznych . (patrz Nannochloropsis i biopaliwa ). Nannochloropsis jest w rzeczywistości używany jako dodatek do żywności w żywieniu ludzi i jest również podawany w restauracji „A Poniente” w El Puerto de Santa María ( Cádiz , Hiszpania ) w pobliżu naturalnego środowiska, w którym Nannochloropsis gaditana została po raz pierwszy wyizolowana i nadal rośnie. Badanie z 2020 r. sugeruje, że można by go wykorzystać w wysoce wydajnej, zrównoważonej, wolnej od ryb paszy dla ryb hodowlanych .

Gatunek

Obecnie uznawane gatunki to:

Zsekwencjonowane genomy

Środowisko naukowe uzyskał genomowej sekwencji różnych szczepów z Nannochloropsis należących do dwóch gatunków : N. Gaditana i N. oceanica . Genom Portal opiera się na N. Gaditana B-31 genomie umożliwia dostęp do większości informacji genomowej że dotyczy to mikroorganizm ponadto dedykowane strony internetowe dostępne dla genomów są również N. Gaditana CCMP526 i N. oceanica CCMP1779 .

Te genomy sekwencjonowanego Nannochloropsis szczepy były pomiędzy 28,5 i 29 długości mega zasad, miały wysoką gęstość genów , zmniejszenie intronu zawartości, krótkie regiony międzygenowe, bardzo ograniczoną obecność powtarzalnych sekwencji. Geny obu gatunków mają rozszerzone podobieństwo.

Analiza genomu wykazały, że te mikroalgi się zestaw genów do syntezy i wbudowania w ściany komórkowej z celulozy i siarczanu fucans i że są one zdolne do przechowywania dwutlenku węgla w polimerach beta-1,3- i P-1,6 glukoza powiązana zwana chrysolaminąryną . Analiza NMR całych komórek glonów, które hodowano w autotroficznym wzroście, donosi o obecności celulozy w ścianie komórkowej i ruchliwej chryzolaminaryny, prawdopodobnie nagromadzonej w roztworze w wakuolach wewnątrz komórki.

Porównanie między genami metabolicznymi lipidów N. gaditana oraz czerwonych / zielonych / brązowych alg i okrzemek dostarczyło pewnych informacji na temat przykładowej produkcji lipidów w kulturach Nannochloropsis . Porównania rzeczywiście podkreśliły obecność rozszerzonego repertuaru niektórych genów zaangażowanych w składanie TAG w Nannochloropsis . W Nannochloropsis zidentyfikowano liczne lipazy TAG , które mogą wpływać na metabolizm TAG poprzez degradację TAG lub przebudowę lipidów , przy czym wiele z nich należy do rodziny genów, która wydaje się być wykluczona z Nannochloropsis .

Analiza danych genomowego sugeruje obecność w obu tych dwóch gatunków z Nannochloropsis z RNA regulacyjnych , w szczególności miRNA .

W genomach Nannochloropsis znaleziono różne ortologi znanych białek wykrywających światło niebieskie , co sugeruje możliwą regulację okołodobową .

Społeczność badawcza z Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT [1] ), Chińskiej Akademii Nauk , zsekwencjonowała i porównała sześć genomów Nannochloropsis, które obejmują dwa szczepy N. oceanica (IMET1 i CCMP531) oraz po jednym szczepie z czterech innych uznanych gatunki : N. salina (CCMP537), N. gaditana (CCMP526, o którym wspomniano wcześniej), N. oculata (CCMP525) i N. granulata (CCMP529). Odkryli, że sześć genomów łączy kluczowe cechy oleistości, takie jak ekspansja dawki genów wybranych genów biosyntezy lipidów w porównaniu z zielonymi algami Chlamydomonas . Najbardziej widocznym przykładem rozszerzenia dawki genów jest acylotransferaza diacyloglicerolu (DGAT), która katalizuje ostatni etap syntezy triacyloglicerolu (TAG). W Nannochloropsis występuje 13 genów DGAT , reprezentujących najwyższą dawkę genów w znanych genomach.

Poprzez kompleksową analizę filogenetyczną naukowcy zaproponowali, że wśród 11 DGAT-2 jeden gen może pochodzić z endosymbiontu wtórnego związanego z czerwonymi algami , cztery z endosymbionta związanego z zielonymi algami , a pozostałe sześć z genomu gospodarza eukariotycznego. Ponadto duża część (15,3%) genów związanych z biosyntezą TAG została nabyta przez Nannochloropsis poprzez horyzontalny transfer genów (HGT) z bakterii . W związku z tym, wiele łączenie genomu i poziome wymiany genetycznej, wraz z selektywnie spadku z lipidowych Synteza genów i specyficznych gatunkowo utratą genu prowadzą do ogromnego urządzenia genetycznej oleaginousness i szeroko genomowego rozbieżności między dzisiejszego Nannochloropsis spp.

Nagromadzenie ropy w deprywacji azotu

Gdy hodowane w normalnych warunkach wzrostu w standardowej pożywce f/2 uzupełnionej azotem, komórki Nannochloropsis mają zawartość oleju około 30% ich suchej masy. Olej ten można wykorzystać do produkcji biodiesla . Aby wyprodukować biodiesel , należy zwiększyć zawartość oleju w kulturach Nannochloropsis . Wykazano, że biosynteza kwasów tłuszczowych u N. oceanica jest zintegrowana z regulacją szlaku biosyntezy cholesterolu, co sugeruje nowe podejścia do inżynierii genetycznej lub biologii chemicznej w celu zwiększenia produkcji oleju w mikroglonach. Z drugiej strony zaobserwowano, że różne warunki hodowli zwiększają średnią zawartość oleju na komórkę, wspierając jednak tylko powolne tempo wzrostu kultur (patrz powiązany rozdział Nannochloropsis i biopaliwa ) i zmniejszając ogólną produktywność. Wśród tych schorzeń pozbawienie azotu było jednym z najszerzej zbadanych. W badaniach zbadano zachowanie kultur pod wpływem stresu azotowego w różnych konfiguracjach hodowli, a także fizjologiczną i molekularną odpowiedź komórek na niedobór azotu.

Różne szczepy z Nannochloropsis wykazano, że gromadzą się do 60-70% łącznej biomasy jako lipidów w ograniczenia azotu. W tym stanie zmienia się nie tylko ilość lipidów , ale także skład. Zaobserwowano, że triacyloglicerole znacznie zwiększają ubytek azotu, podczas gdy inne lipidy , głównie glicerolipidy polarne , wolne kwasy tłuszczowe i diacyloglicerole , nieznacznie spadają. Wzrost triacylogliceroli w uszczupleniu azotu jest znacznie większy niż spadek innych glicerolipidów , co potwierdza hipotezę, że komórki aktywnie syntetyzują nowe triacyloglicerole, a nie tylko przekształcają istniejące lipidy w triacyloglicerole .

Podczas gdy triacyloglicerole gromadzą się, a kropelki lipidów powiększają się, zachodzą inne ważne zmiany morfologiczne. W chloroplasty się mniejsza, a ilość lipidów, które są charakterystyczne dla fotosyntezy membrany zmniejsza się znacząco. Wydajność fotosyntezy spada w komórkach zubożonych w azot, ale nadal jest wystarczająca do napędzania przeżycia i wzrostu komórek. Jeśli fotosynteza jest rzeczywiście zahamowana, komórki Nannochloropsis przestają rosnąć, co wskazuje, że polegają na fotosyntetycznej konwersji energii słonecznej, a nie na przechowywanych węglowodanach lub lipidach jako źródle energii.

Nannochloropsis hodowany w normalnych warunkach wzrostu i pozbawiony źródła azotu rośnie przez 4-5 dni. Analiza ekspresji genów ujawnia, że ​​mechanizmy asymilacji i redystrybucji azotu są aktywowane w komórkach w warunkach niedoboru azotu i umożliwiają przeżycie poprzez częściową reorganizację metabolizmu komórkowego . Geny odpowiedzialne za inkorporację wolnego amonu do glutaminianu (L-glutamina + 2-oksoglutaran + NADPH + H + ←→ 2 L-glutaminian + NADP + ) są regulowane w górę. Ich regulacja w górę zwiększa zdolność komórek do przyswajania minimalnej ilości amonu ostatecznie obecnego w pożywce i, co ważniejsze, umożliwia im asymilację wewnątrzkomórkowego amonu, który może zostać uwolniony w procesach degradacji. Dane transkryptomiczne z pozbawionych azotu kultur Nannochloropsis pokazują, że różne enzymy odpowiedzialne za procesy degradacyjne, które uwalniają amon, są rzeczywiście w górę regulowane. Ponadto wzrasta ekspresja genów kodujących białka biorące udział w kontrolowanej degradacji białek, a także innych zaangażowanych w tworzenie cytozolowych pęcherzyków sekwestrujących wykorzystywanych do degradacji i recyklingu składników komórkowych.

Mechanizm ekspresji genu w chloroplastach i mitochondrium jest obniżony w Nannochloropsis w odpowiedzi na wyczerpywanie azotu.

Corteggiani Carpinelli i współpracownicy (2013), opisują kompletną analizę ekspresji genów z Nannochloropsis hodowlach hodowanych w warunkach normalnych i pozbawienie azotu w ciągu 3 dni i 6 dni. Dane o podobnych warunkach zebrali również Radakovits i in. (2012) oraz Vieler i in. (2012). Wszystkie te dane pokazują, że geny zaangażowane w biosyntezę kwasów tłuszczowych i triacyloglicerolu są zawsze obecne w komórkach, a ich ekspresja nie jest skorelowana z ilością nagromadzonego oleju. Również ekspresja z genów zaangażowanych w triacylogliceroli degradacji nie jest znacznie obniżany w triacylogliceroli gromadzić. Ogólny wniosek sugerowany przez dane eksperymentalne jest taki, że Nannochloropsis konstytutywnie wytwarza triacyloglicerole i że reorganizacja metaboliczna, która następuje po pozbawieniu azotu, zwiększa przepływ substratów przez ten szlak, który z kolei jest zdolny do podtrzymania zwiększonego przepływu metabolicznego. Corteggiani Carpinelli i współpracownicy (2013) wysunęli hipotezę, że w warunkach eksperymentalnych fotosynteza jest głównym źródłem energii, a zmniejszenie aktywności metabolicznej mitochondrium jest czynnikiem decydującym o zwiększeniu ilości substratów wchodzących w szlak biosyntezy kwasów tłuszczowych . Jeśli dostępnych jest więcej prekursorów , syntetyzuje się więcej kwasów tłuszczowych, aw konsekwencji więcej triacylogliceroli jest produkowanych i akumulowanych w komórkach w postaci kropelek oleju.

Dong i in. (2013) donoszą o ilościowej ocenie obfitości różnych białek w kulturach Nannochloropsis hodowanych z dodatkiem CO2 i pozbawionych azotu. Pomimo różnych warunków doświadczalnych, również badanie proteomiczne wydaje się potwierdzać hipotezę, że akumulacja triacylogliceroli wynika ze zwiększenia przepływu metabolicznego przez szlak biosyntezy kwasów tłuszczowych . Autorzy stawiają hipotezę, że w warunkach doświadczalnych degradacja cukrów magazynujących i regulacja w górę glikolizy są odpowiedzialne za wzrost substratów w szlaku .

Niedawno Li i współpracownicy (2014) zebrali obszerne dane eksperymentalne z kultur Nannochloropsis oculata IMET1 hodowanych na pożywkach o wystarczającej i ubogiej w azot pożywce. Według ich analizy to katabolizm z węglowodanów i białek, łącznie z regulacją w górę genów przypisanych do różnych ścieżek (cytosolowego glikolizy, szlaków, które wytwarza pirogronian , a obejście PDHc, co daje dodatkową acetylo-CoA , i sprzęganie TCA reakcje z mitochondrialną β- oksydacją ) , które należy uznać za zwiększające dostarczanie prekursorów węgla do szlaku biosyntezy kwasów tłuszczowych . Niemniej jednak autorzy sugerują, że to nie zwiększona synteza kwasów tłuszczowych prowadzi do gromadzenia się oleju wewnątrz komórek, ale raczej regulacja w górę genów zaangażowanych w tworzenie triacylogliceroli decyduje o ostatecznym stężeniu oleju. Innymi słowy, w ramach wyczerpywania azotu, to jest regulacji w górę z transkryptu poziomie genów kluczowych w triacyloglicerolu montażu , niż te, w kwasy tłuszczowe biosyntezy , który prowadzi do przyspieszonego triacylogliceroli produkcji.

W 2017 r. w badaniu finansowanym wspólnie przez ExxonMobil i Synthetic Genomics osiągnięto przełom w procentach lipidów w Nannochloropsis gaditana dzięki zastosowaniu rurociągu odwrotnej genetyki CRISPR-Cas9 i głodowi azotu – poprawiając podział całkowitego węgla na lipidy z 20% (typ dziki) do 40-45% (typ mutanta).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki