基于三叶草形状的三苯基聚乙烯二醇与卵白蛋白组装的姜黄素细胞递送方法

《Food Bioscience》：Curcumin cellular delivery based on assembly of clover shaped trityl polyethylene glycols with ovalbumin

本研究探究超声处理对铜绿假单胞菌（Chlamydomonas reinhardtii）培养的影响，发现175W、5min的超声处理在初始培养阶段显著提升生物质、蛋白质、碳水化合物及脂质含量（分别增加24%、40%、24%和44%），同时激活抗氧化酶活性。转录组分析表明，超声处理上调了TCA循环相关基因（如ACS、IDH1、OGDH）及MAP激酶活性，抑制代谢负调控基因，为工业化培养提供了新策略。

　　

刘宇新|康晓波|刘长洪|郑雷

中国合肥市合肥工业大学食品与生物工程学院，教育部生物过程工程研究中心，230009

摘要

莱茵衣藻（C. reinhardtii）作为一种新兴的食品来源，目前缺乏有效的诱导培养方法，这限制了其大规模工业化生产。本研究通过综合生理学和转录组学分析，探讨了超声波处理对C. reinhardtii培养的影响。最佳处理条件为175瓦特，持续5分钟，应用于初始培养阶段。培养结束时，与对照组相比，超声波处理组的生物量、蛋白质、碳水化合物和脂质含量分别增加了24%、40%、24%和44%，而叶绿素水平保持不变。超声波处理导致细胞内过氧化物短暂升高，但通过增强SOD、POD和CAT的活性得到了有效缓解。因此，最终DCF荧光值、MDA和H₂O₂水平与对照组没有显著差异。转录组学分析显示，超声波处理显著上调了与碳水化合物代谢、蛋白质合成和脂质代谢相关的基因。富集分析进一步表明，超声波处理激活了MAP激酶活性，并下调了多个与代谢、生物和生物合成过程相关的负调控因子。乙酰辅酶A合成酶（ACS）、异柠檬酸脱氢酶（IDH1）和2-氧戊二酸脱氢酶E1组分（OGDH）的上调增强了以乙酸为驱动的TCA循环，从而促进了生物量和主要细胞成分的增加。这些结果表明，超声波处理是一种高效且有前景的C. reinhardtii工业化培养策略。

引言

微藻因其高光合效率和强大的环境适应性而广泛分布于各种水生生态系统中（Tan等人，2020年）。由于它们出色的营养积累能力、可控的培养特性以及低土地需求，微藻被认为是可持续生物制造系统的关键资源（Chen等人，2024年）。此外，微藻能够合成高价值的生物活性化合物，如虾青素和类胡萝卜素，具有在功能性食品中应用的巨大潜力（Yu等人，2024年）。因此，开发科学高效微藻培养方法已成为工业应用的主要研究焦点。

化学和物理处理常用于促进微藻培养（Razzak等人，2024年）。化学处理方法，如盐胁迫、植物激素补充和氮限制，可以促进目标代谢物的积累（Yu等人，2015年），但往往会导致生物量或其他营养成分减少。例如，在盐胁迫下，Pyrenoidosa小球藻的生物量减少了34%（Yang等人，2023年），而Desmodesmus属物种的蛋白质含量减少了28%（Li, Chen等人，2022年），尽管脂质含量总体有所增加。这些限制限制了化学处理的工业应用。物理处理通常涉及调节光照强度、光周期和波长，由于易于控制而更被广泛采用（Chew等人，2018年）。超声波能够在液体介质中产生空化、机械振动和热效应，传统上用于控制有害藻类爆发（Zhang等人，2021年）或作为从微藻中提取脂质和色素的方法（Liu等人，2022年）。然而，一些研究表明，适当的超声波处理可以增强细胞膜的通透性并重新分配微藻细胞内的能量（Han, Pei, Hu, Jiang等人，2016年）。经过优化的超声波处理后，Sorokiniana小球藻的生物量增加了40%，脂质含量增加了37%（Xie等人，2020年），而Scenedesmus属物种的生物量增加了27%，脂质含量增加了37%（Ren等人，2019年）。总之，超声波处理在同时改善微藻生长和产品合成方面显示出巨大潜力，为其未来应用带来了希望。

值得注意的是，微藻在不同生长阶段表现出显著的生理异质性，这一维度在以往关于超声波处理的研究中经常被忽视（Han, Pei, Hu, Zhang等人，2016年）。初始阶段的生长缓慢，生物量积累有限；对数阶段的 photosynthetic 活性高，细胞分裂活跃；静止阶段则通常伴随着大量生物活性化合物的积累（Liao等人，2018年；Sweiss等人，2024年）。因此，确定最佳的超声波处理阶段以协同增强生物量和有价值成分对于实现高效微藻培养至关重要。在各种物种中，莱茵衣藻（C. reinhardtii）由于含有高量的脂质和蛋白质，具有巨大潜力（Darwish等人，2020年），并于2022年正式被批准为中国新型食品成分。然而，鉴于不同微藻物种之间的基因组和生理差异（Minhas等人，2020年），目前尚不清楚超声波处理是否对C. reinhardtii有积极影响。此外，现有研究仅限于监测生理指标，未进一步探讨超声波处理引起的基因表达变化（Vintila等人，2023年）。这一知识空白严重限制了其培养的有效调控和进一步发展。

本研究探讨了不同条件下超声波处理对C. reinhardtii生物量和主要细胞成分的影响。此外，通过分析抗氧化系统和转录组反应，全面评估了最佳超声波处理条件。结果为C. reinhardtii中应用超声波处理提供了理论基础，并提出了开发高效可控培养方法的新策略。

部分摘要

微藻菌株和培养条件

本研究中使用的微藻菌株C. reinhardtii GY-D55来自上海光宇生物科技有限公司。这些微藻在Tris-Acetate-Phosphate（TAP）培养基中培养，培养基成分如下：2.42克/升Tris碱、375毫克/升NH₄Cl、100毫克/升MgSO₄·7H₂O、50毫克/升CaCl₂·2H₂O、28.8毫克/升K₂HPO₄、14.4毫克/升KH₂PO₄、5毫克/升Na₂EDTA·2H₂O、2.2毫克/升ZnSO₄·7H₂O、1.14毫克/升H₃BO₃、0.5毫克/升MnCl₂·4H₂O、0.5毫克/升FeSO₄·7H₂O、0.16毫克/升CoCl₂·6H₂O、0.16毫克/升CuSO₄·5H₂O、0.11毫克/升(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O。

不同超声波处理对C. reinhardtii培养的影响

通过监测生物量的变化来评估超声波处理对C. reinhardtii培养的影响。培养结束时，125瓦、150瓦和175瓦超声波处理组的生物量均高于对照组（图1A），表明超声波处理可能是一种有效的促进生长的策略。在测试的强度中，175瓦被认为是最佳的，其生物量显著高于其他组。

结论

在初始阶段应用175瓦、持续5分钟的超声波处理有效促进了C. reinhardtii的生长，同时促进了碳水化合物、蛋白质和脂质的积累。观察到的抗氧化能力增强以及过氧化物水平恢复到基线水平表明，超声波处理引发了适应性反应。转录组分析显示，微藻感知到了压力，导致MAP激酶活性（GO:0004707）的上调

CRediT作者贡献声明

刘宇新：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件使用、方法论、实验设计、数据分析、概念化。康晓波：方法论、数据分析。刘长洪：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取。郑雷：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了安徽省杰出青年科学基金（2508085J022）、安徽省高校协同创新计划（GXXT-2022-073）、苏州市重大科技项目（SZKJXM202310）以及中央高校基本科研业务费专项资金项目（JZ2024HGTG0286, PA2025GDGP0026）的支持。