微藻生物技术提升ω-3多不饱和脂肪酸生产的策略与挑战：从代谢工程到规模化应用

推荐：为解决传统鱼油来源ω-3-PUFAs（EPA/DHA）的环境不可持续性及素食人群需求，研究人员系统综述了微藻生物技术的最新进展。通过营养胁迫、盐度/光照调控及CRISPR-Cas9等基因编辑技术，显著提升了微藻脂质含量（达59% dcw）及ω-3-PUFA产量（DHA占41.5%）。该研究为可持续替代鱼油提供了关键技术路径，对营养健康与生态保护具双重意义。

　　

在全球海洋资源衰退与素食主义兴起的双重背景下，传统鱼油来源的ω-3多不饱和脂肪酸（PUFA）面临供应短缺与环境污染的严峻挑战。这类包含α-亚麻酸（ALA）、二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）的必需脂肪酸，对神经发育、心血管健康具有不可替代的作用。然而，人类内源性转化ALA为EPA/DHA的效率不足5%，而鱼类资源因过度捕捞锐减——每年约2万亿条鱼类因此被捕杀。更棘手的是，海洋污染导致鱼油中汞等重金属蓄积，植物源ALA转化率低下（如亚麻籽油仅提升O3I指数0.1-0.3%）。这些矛盾催生了寻找可持续替代方案的迫切需求，而能够原位合成ω-3-PUFAs的微藻成为破局关键。

为突破这一瓶颈，Sourav Kumar Bagchi团队在《Biophysical Reports》发表综述，系统解析了微藻生产ω-3-PUFAs的全链条技术。研究整合了三大核心技术：通过氮/盐度胁迫（如7.5 g/L NaCl+CaCl₂使脂质提升至31% dcw）等物理化学调控；利用CRISPR-Cas9敲除脂质抑制因子LipR（使DHA增产48%）等基因编辑手段；以及光生物反应器（如10 m³规模产能达36.56 g/m²/天）等规模化培养系统。

2. 微藻作为ω-3-PUFAs的可持续素食来源

通过对比30余种微藻，研究发现海洋破囊壶菌（Schizochytrium）在异养条件下DHA含量高达37.8%，而硅藻（Phaeodactylum tricornutum）在混合营养模式下EPA占比30.1%。值得注意的是，北欧淡水藻Desmodesmus sp.在400 μmol/m²/s强光与4-8 g/L NaCl胁迫下，脂质含量提升至43% dcw，证实环境应激可定向调控代谢流。

3. 增强PUFA积累的代谢工程方法

团队详细解析了脂肪酸合成（FAS）与聚酮合酶（PKS）两条通路，其中Δ5-去饱和酶（Δ5-DES）过表达使Nannochloropsis oceanica的EPA产量提升25%。更具突破性的是，通过CRISPR技术沉默fad3基因，Chlorella vulgaris脂质积累增加46%，而锌指蛋白LipR的敲除使Schizochytrium sp.的DHA产量跃升48%。

4. ω-3-PUFA生产的规模化挑战

尽管实验室成果显著，但工业化仍面临多重障碍。例如，Nannochloropsis gaditana在100 L光生物反应器中采用日落采收策略，使EPA含量达41.56%，但下游纯化成本占比高达70%。新兴的纳米硅材料固定化酶技术将EPA富集效率提升2.5倍，而尿素包合与银离子络合可使DHA纯度达85%。

5. ω-3脂肪酸的氧化稳定与纯化

针对PUFA易氧化特性，研究推荐分子蒸馏与低温结晶联用技术。例如，超临界CO₂萃取结合离心分配色谱（CPC），在庚烷-水-甲醇三相体系中实现DHA回收率85%，但设备投入成为推广瓶颈。

这项研究不仅构建了从基因编辑到产业应用的完整技术图谱，更揭示了微藻替代鱼油的临界点：当生产成本降至$2.5/kg以下时，将具备市场竞争力。通过整合胁迫调控、代谢工程与绿色下游工艺，微藻有望在未来十年提供全球30%的ω-3-PUFA需求，同时减少渔业捕捞量15-20%。这一突破性进展为应对营养安全与生态保护的全球性挑战提供了创新范式。