工学院刘进课题组在藻类油脂代谢和应用研究上取得重要进展

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　　工学院刘进课题组在藻类油脂代谢和应用研究上取得重要进展

　　近年来，北京大学工学院能源与资源工程系刘进">刘进课题组在藻类油脂代谢以及工程应用研究方面取得了一系列成果。主要经费来源为国家自然科学基金、北京大学“双一流”等项目。

　　微藻被誉为是绿色的光合单细胞工厂。它们分布广泛，生长快，光合作用和二氧化碳固定效率高。全球接近50%的二氧化碳由藻类吸收固定。微藻用途广泛，有潜力利用二氧化碳来生产一系列的高价值产品。微藻也能合成油脂(TAG)。TAG能量密度高，非常适合用来生产生物柴油，被认为最有希望替代目前的植物油脂用作生物柴油生产。

　　微藻TAG的合成途径主要有两种：依赖于乙酰辅酶A的Kennedy 途径和不依赖于乙酰辅酶A的PDAT途径。前者被认为在逆境诱导TAG合成中起主要作用，主要由DGAT催化。DGAT的底物为乙酰辅酶A和DAG，是关键限速酶。DGAT主要有I型和II型两种，都属于膜蛋白。有意思的是，在高等植物中通常只有1个II型DGAT，而在微藻中有多个，比如衣藻中5个，硅藻中4个，微拟球藻中11个。为什么微藻有这么多个II型DGAT?它们是不是在不同的细胞区域?有没有底物特异性?为了解决这些问题，刘进">刘进课题组与马里兰大学的Dr Yantao Li团队合作，以模式藻衣藻为研究对象，全面深入的分析了5个II型DGAT (DGTT1-5)，包括：1)建立了一个不需要放射性标记底物的DGAT酶体外分析方法;2)DGTT对底物乙酰辅酶A和DAG都有明显的偏好;3)它们协同催化逆境条件下的TAG合成;4)DGTT1很可能同时存在叶绿体膜和ER上，分别利用原核与真核来源的DAG生成TAG;5)DGTT1将会是基因工程的对象，为今后定向改造提高油脂含量或是生产富集EPA的TAG提供了方向。此研究发表于Top植物期刊Plant Journal，为封面文章(Cover, featured article), 以及发表于经典应用藻类学杂志Journal of Applied Phycology。

　　随后课题组以富含油脂的海洋藻微拟球藻为研究对象，通过in silicon, functional complementation, in vitro, in vivo (knockdown and overexpression )等分析了NoDGAT1A的底物偏好性和功能，结合荧光蛋白融合定位实验，揭示了它在微拟球藻中利用原核来源的DAG和饱和脂肪酸/单不饱和脂肪酸合成TAG的重要作用(图1)。通过过量表达实验发现，改造后的藻株在批次培养(10天周期)中生长不受影响且TAG提高了50%，TAG中的脂肪酸成分也发生了变化(C18：1的相对比重提高;这有利于生物柴油的性能)。以前的研究中，TAG的提高大多以牺牲生长(生物量)来获得，从而削弱了TAG的产量。我们的研究通过定向改造微藻，首次实现在不影响生长的情况下提高TAG的含量，为今后的基础研究和实际应用提供了启示。此研究发表在生物技术TOP期刊Biotechnology for Biofuels。

　　然后，课题组与中科院青岛能源与过程研究所徐健教授团队和马里兰大学Dr Yantao Li团队合作，全面深入研究了微拟球藻11个DGAT2基因的功能，阐明了它们之间的分工与合作在时间和空间上调节TAG的合成、以及TAG上脂肪酸成分(图2)，证明了工业微藻的藻油饱和度能够定制化地人工设计，从而将微藻细胞工厂推入“藻油品质定制化(Designer Oil)”时代，为今后通过定向基因工程理性操控微藻提高TAG产量和质量提供了理论依据和方法策略。此研究于2017年10月27日在线发表在植物Top期刊Molecular Plant。

　　课题组其它代表性成果：

　　通过定向改造小球藻开尔文循环增强二氧化碳固定能力，提高生物量和油脂产量。此研究作为Featured article发表在生物技术TOP期刊Biotechnology for Biofuels，刘进">刘进和陈峰">陈峰教授为共同通讯作者。

　　撰写藻类二氧化碳固定进展方面的综述，发表在Renewable Sustainable Energy Reviews，刘进">刘进和南昌大学的周文广教授为此文的共同通讯作者。

　　刘进">刘进简介

　　刘进">刘进系北京大学工学院特聘研究员，能源与资源工程系PI，食品与生物资源工程研究所PI。2003年和2005年于中山大学分别获得理学学士和理学硕士学位，2010年于香港大学获得理学博士学位。随后分别于美国Arizona State University和University of Maryland从事博士后和助理研究员工作，主要研究油脂代谢、类胡萝卜素生物发生和代谢工程。2015年加入北京大学工学院，任微藻生物技术创新课题组学术带头人，致力于通过交叉学科前沿科学技术开展藻类及微生物资源的基础及应用研究。自2015年以来已经发表同行评议学术论文20余篇(其中2篇为Cover article，1篇为Featured article)，专著章节2篇，主编专著Recent Advances in Microalgal Biotechnology 由Omics Group 于2016年出版。主持自然科学基金面上项目2项、作为Co-PI参与新加坡-北大低碳中心项目1项、美国TEDCO项目1项，参与国家重点研发计划1项。目前实验室成员有2名博士后、5名博士生(其中2名与陈峰">陈峰教授联培)、1名硕士生、2名本科生和1名研究助理。

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