盐胁迫下杜氏盐藻甘油合成机制的系统生物学解析：提升绿色化学品生产的关键

研究人员为提升杜氏盐藻（Dunaliella tertiolecta）甘油合成效率，分析其盐胁迫下的基因组和蛋白质组，发现相关代谢途径，为优化生产提供依据。

　　

一、研究背景

在广袤的生物世界里，微小的藻类正发挥着巨大的作用。微藻作为高效的光合微生物，能够将温室气体 CO₂转化为高价值物质。其中，杜氏盐藻（Dunaliella tertiolecta）家族的部分成员尤为特殊，它们具备在高盐环境下生存的神奇本领，能耐受极高浓度的盐（约 5.5M NaCl）。

在高盐环境中，杜氏盐藻会合成甘油（Glycerin）作为渗透调节物质（osmolyte）。甘油就像是细胞的 “保护卫士”，对抗着外界高渗透压，防止细胞因失水而破裂。而且，甘油不仅是细胞的 “救命稻草”，还是化学领域重要的平台中间体，可用于生产如丙烯腈、碳纤维等 “绿色化学品”。通过藻类合成甘油，凭借其直接的碳固定过程，为更环保的 “绿色化学品” 制造提供了可持续的方法。

然而，目前对于杜氏盐藻合成甘油的生物化学过程，人们了解得还不够深入。若想进一步提高甘油的产量，就需要优化培养策略，对相关生物合成途径进行精准的基因工程改造。但这一切的前提是，深入理解杜氏盐藻在盐胁迫下合成甘油的机制。因此，开展这项研究迫在眉睫。

二、研究概况

来自慕尼黑工业大学（TU MüNCHEN）Werner Siemens 合成生物技术讲席教授团队的研究人员，为了深入探究杜氏盐藻在盐胁迫下甘油合成的奥秘，开展了一项系统生物学研究。该研究成果发表在《BIOspektrum》上。

研究人员采用了系统生物学的分析策略。首先，利用 PacBio 公司的下一代测序技术获取全面的转录组和基因组数据。通过比较编码 mRNA 序列与组装基因组的 DNA 序列，预测有效的基因模型，并借助相关数据库确定其功能。同时，基于这些数据创建基因模型和非冗余蛋白质数据库，用于后续的蛋白质分析。研究人员将杜氏盐藻暴露在高盐条件下 30 分钟和 24 小时，然后从蛋白质组层面进行研究。

三、研究技术方法

1. 基因组测序技术：运用 PacBio 的下一代测序技术获取杜氏盐藻的基因组数据，为后续分析提供基础。
2. 蛋白质组分析技术：通过对胰蛋白酶消化后的肽段进行 MS/MS 分析，结合创建的蛋白质数据库，实现蛋白质的鉴定和定量。

四、研究结果

1. 杜氏盐藻的特异性应激反应：比较定量蛋白质组分析显示，盐胁迫下两个时间点上调的蛋白质数量多于下调的蛋白质。这些变化显著的蛋白质主要集中在能量产生与转化、氨基酸运输与代谢以及翻译后修饰等类别。盐胁迫 24 小时后，参与 RNA 加工与修饰、翻译和核糖体生物发生的蛋白质显著上调。在盐胁迫开始 30 分钟后，与 Ca²⁺信号转导相关的蛋白质，如钙 / 钙调蛋白依赖性蛋白激酶、谷氨酸受体和 PIEZO 家族的机械敏感离子通道等被上调，这表明 Ca²⁺信号通路可能是杜氏盐藻细胞对盐胁迫的早期反应之一。同时，离子通道也出现上调或通过磷酸化迅速激活，帮助维持细胞离子平衡（Ionenhom?ostase）。研究还发现，一些蛋白质可能是杜氏盐藻特有的，在之前对杜氏盐藻（D. salina）的研究中未被描述。虽然淀粉降解酶的丰度没有变化，但在盐胁迫初期，多种光合作用相关蛋白质上调，碳酸酐酶和与卡尔文循环（Calvin-Zyklus）相关的酶也被上调，这表明在该研究中甘油主要通过光合作用合成。此外，研究还发现了 CP12（卡尔文循环调节蛋白，与甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶形成复合物）在每个分析时间点都被上调，它可能作为一种替代机制，保护细胞免受活性氧（ROS）的伤害，而不是像 β - 胡萝卜素那样合成抗氧化色素。
2. 代谢优化与系统生物学：蛋白质组分析借助新创建的蛋白质组数据库，鉴定出了参与细胞适应盐胁迫的差异表达蛋白质。虽然未发现直接参与甘油合成途径的上调蛋白质，但研究人员发现了一种嵌合型甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶。这种酶能够将磷酸二羟丙酮（DHAP）直接转化为甘油，而通常这一过程需要两种不同的酶。因此，该酶有望提高甘油产量。此外，其他上调的蛋白质可能通过保护细胞免受有害物质（如活性氧）的侵害，促进甘油合成。

五、研究结论与意义

这项研究通过对杜氏盐藻在盐胁迫下的基因组和时间分辨蛋白质组分析，成功解析了其代谢途径的变化。明确了 Ca²⁺信号通路等在盐胁迫早期的重要作用，以及细胞在不同时间点的代谢调整机制。发现的嵌合型甘油醛 - 3 - 磷酸脱氢酶等关键蛋白质，为提高甘油产量提供了潜在的靶点。研究结果为优化杜氏盐藻的培养策略和基因工程改造奠定了基础，有助于进一步提升 “绿色化学品” 甘油的生物合成效率，推动可持续化学工业的发展。同时，也为深入理解微藻在极端环境下的生存机制提供了新的视角，为相关领域的研究开辟了新的方向。