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为解决光合微生物筛选通量低的问题，研究人员设计照明系统，优化培养基，筛选生物活性分子，助力可持续生物制造。
研究背景：光合微生物的潜力与困境
在神奇的微观生物世界里，光合微生物宛如隐藏的宝藏。它们拥有将二氧化碳（CO2）转化为生物质的独特本领，就像一个个小小的 “绿色工厂”，在可持续生物制造领域有着巨大的潜力，有望成为解决能源和环境问题的关键 “选手”。然而，目前对这些微生物的研究和应用却面临着重重阻碍。
传统的筛选方法在通量上存在严重不足，难以快速找到那些能让微生物高效工作的酶、菌株以及最佳生长条件。这就好比在一个巨大的图书馆里寻找一本特定的书，却没有有效的检索工具，只能一本本盲目地翻阅，效率极低。在实验室规模下，现有的培养系统也无法满足高通量筛选的需求，使得对光合微生物的研究进展缓慢。
为了突破这些困境，来自加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia）等机构的研究人员展开了一项意义重大的研究，相关成果发表在《Communications Biology》上。
研究方法：打造创新研究工具
研究人员为了实现高效筛选光合微生物的目标，采用了多种关键技术方法。他们设计并构建了一套自动化高通量照明系统，该系统能够整合到现有的实验室自动化基础设施中。在实验菌株的选择上，选取了包括蓝藻和真核藻类等多种具有代表性的光合微生物，如聚球藻（Synechococcus elongatus UTEX 2973）、莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii UTEX 90）和一种丝状蓝藻（Nostoc hatei CUBC1040）。在实验过程中，运用响应面模型（Response Surface Modelling，RSM）对培养基成分进行优化，还通过一系列实验对系统性能进行测试和验证，以确保研究结果的准确性和可靠性 。
研究结果
- 现有高通量照明系统的不足：研究人员对现有的高通量筛选系统进行了全面的梳理和分析。发现许多系统虽然能精确控制光照强度，但大多是独立设备，可扩展性差，且多数只能同时支持 24 - 96 个培养样本，难以满足大规模筛选的需求。部分系统还存在对实验耗材要求特殊、自动化程度低等问题，这使得在进行大规模、高效的光合微生物筛选时困难重重。
- 定义功能需求与电路设计：为了构建更高效的照明系统，研究人员明确了一系列功能需求。系统需要在 384 孔微孔板上提供均匀一致的光强和光谱，并且光强要在50μmolm?2s?1到500μmolm?2s?1之间可调节，以适应不同微生物的生长需求。在电路设计方面，采用了定制的 384 - LED 阵列，该阵列能够满足系统的照明要求，并且通过合理的设计，使系统能够同时为多个微孔板提供稳定的光照。
- 组件验证与配置测试：对系统的组件进行了严格的验证。研究发现，不同材质的 LED 阵列对温度和光强的稳定性有显著影响，最终选择了超导铝阵列，因其在散热和光强稳定性方面表现更优。在配置测试中，研究人员对多种培养条件进行了优化，包括 LED 光谱、微孔板密封方式、LED 阵列与微孔板的距离以及微孔板类型等。结果表明，5091 K 的 LED 光谱、透气密封以及 LED 阵列与微孔板的近距离放置，都能显著提高微生物的生长效率。
- 系统应用案例：通过该照明系统开展了一系列应用研究。在培养基成分优化方面，确定了K2HPO4、NaHCO3、NaNO3、MgSO4和微量元素等对聚球藻（Synechococcus elongatus UTEX 2973）生长速率影响显著。利用响应面模型（RSM）对不同菌株的培养基进行优化后，在摇瓶实验中，各菌株的生物量积累有了显著提高，增幅在 38.4% - 61.6% 之间。在生物活性分子筛选方面，经过多轮筛选，发现了一些对藻类生长有显著影响的化合物，如棉子皮亭（gossypetin）能显著促进聚球藻生长，而龙胆紫（gentian violet）和双硫仑（disulfiram）等则会抑制生长。
研究结论与意义
研究人员成功设计、构建并测试了一种可集成到现有自动化基础设施中的高通量照明系统。该系统显著提高了光合微生物筛选的灵敏度、通量和可扩展性，为研究人员提供了一个强大的工具。通过对培养基的优化和生物活性分子的筛选，不仅揭示了不同因素对微生物生长的影响机制，还为实现光合微生物的大规模应用奠定了基础。未来，随着对更多菌株和实验设计的探索，该系统有望在可持续生物制造、生物修复等领域发挥更大的作用，为解决全球能源和环境问题提供新的思路和方法。
