由糖转运蛋白STP1驱动的莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的营养转化过程

《Microbial Cell Factories》：The sugar transporter STP1-driven trophic conversion of Chlamydomonas reinhardtii

微藻代谢工程中通过引入STP1、GLUT1和HUP1三种葡萄糖转运体，成功使Chlamydomonas reinhardtii具备异养葡萄糖摄取能力，其中STP1表达菌株3S7的细胞数量和干重分别达到野生型的3.56倍和2.03倍，显示最佳葡萄糖利用效率。

　　

摘要

背景

Chlamydomonas reinhardtii是一种多用途的模型微藻，由于其快速生长、能够合成有价值的代谢物以及具有GRAS（Generally Recognized As Safe）认证，因此在工业应用方面具有巨大潜力。然而，大规模的光养培养面临诸如自我遮蔽、光照不均以及需要照明设备等挑战，这些因素都限制了生产效率和经济可行性。基于葡萄糖的异养培养是一种可扩展的替代方案，但C. reinhardtii缺乏内源性葡萄糖转运蛋白，这本质上阻碍了其吸收葡萄糖的能力。

结果

为了克服这一限制并提高其营养灵活性，我们通过引入来自Arabidopsis thaliana的STP1葡萄糖转运蛋白对C. reinhardtii进行了基因工程改造，使其具备了吸收葡萄糖的能力。除了在C. reinhardtii中表达STP1外，还单独表达了另外两种已知的葡萄糖转运蛋白：GLUT1（来自Homo sapiensHUP1（来自Parachlorella kessleri），因为这两种转运蛋白都已被证实可以在C. reinhardtii中促进葡萄糖的吸收。结果表明，所有表达转运蛋白的突变体都获得了吸收葡萄糖的能力。在测试的突变体中，表达STP1的菌株（3S7）在添加葡萄糖的异养条件下表现出最高的生长速度，尽管增长差异不大。3S7菌株的细胞数量是野生型（WT）菌株的3.56倍，而表达GLUT1和HUP1的菌株的细胞数量分别比WT菌株高2.84倍和2.79倍。干细胞质量分析证实了3S7菌株的异养生长依赖于葡萄糖，其干细胞质量比WT菌株增加了2.03倍，而WT菌株的干细胞质量在所有转化体中最高。使用荧光葡萄糖类似物2-NBDG和不可代谢的葡萄糖类似物2-DG进行的实验验证了葡萄糖能够被转运到3S7菌株及其他菌株中。培养上清液中残留葡萄糖的减少进一步证明了3S7菌株较强的葡萄糖吸收能力，其利用葡萄糖产生的生物量达到了18.9±8.6%。

结论

这些结果表明，STP1可以作为有前景的葡萄糖转运蛋白，赋予C. reinhardtii吸收葡萄糖的能力。本研究为通过拓宽其可利用的有机碳来源来提高其营养灵活性奠定了基础，为将这种模型微藻作为可扩展工业生物过程的细胞工厂平台开辟了新的可能性。

背景

Chlamydomonas reinhardtii是一种多用途的模型微藻，由于其快速生长、能够合成有价值的代谢物以及具有GRAS认证，在工业应用方面具有巨大潜力。然而，大规模的光养培养面临诸如自我遮蔽、光照不均以及需要照明设备等挑战，这些因素都限制了生产效率和经济可行性。基于葡萄糖的异养培养是一种可扩展的替代方案，但C. reinhardtii缺乏内源性葡萄糖转运蛋白，这本质上阻碍了其吸收葡萄糖的能力。

结果

为了克服这一限制并提高其营养灵活性，我们通过引入来自Arabidopsis thaliana的STP1葡萄糖转运蛋白对C. reinhardtii进行了基因工程改造，使其具备了吸收葡萄糖的能力。除了在C. reinhardtii中表达STP1外，还单独表达了另外两种已知的葡萄糖转运蛋白：GLUT1（来自Homo sapiensHUP1（来自Parachlorella kessleri），因为这两种转运蛋白都已被证实可以在C. reinhardtii中促进葡萄糖的吸收。结果表明，所有表达转运蛋白的突变体都获得了吸收葡萄糖的能力。在测试的突变体中，表达STP1的菌株（3S7）在添加葡萄糖的异养条件下表现出最高的生长速度，尽管增长差异不大。3S7菌株的细胞数量是野生型（WT）菌株的3.56倍，而表达GLUT1和HUP1的菌株的细胞数量分别比WT菌株高2.84倍和2.79倍。干细胞质量分析证实了3S7菌株的异养生长依赖于葡萄糖，其干细胞质量比WT菌株增加了2.03倍，而WT菌株的干细胞质量在所有转化体中最高。使用荧光葡萄糖类似物2-NBDG和不可代谢的葡萄糖类似物2-DG进行的实验验证了葡萄糖能够被转运到3S7菌株及其他菌株中。培养上清液中残留葡萄糖的减少进一步证明了3S7菌株较强的葡萄糖吸收能力，其利用葡萄糖产生的生物量达到了18.9±8.6%。

结论

这些结果表明，STP1可以作为有前景的葡萄糖转运蛋白，赋予C. reinhardtii吸收葡萄糖的能力。本研究为通过拓宽其可利用的有机碳来源来提高其营养灵活性奠定了基础，为将这种模型微藻作为可扩展工业生物过程的细胞工厂平台开辟了新的可能性。