解锁小球藻高效半乳糖利用：适应性实验室进化推动红藻基微藻培养的可持续发展

本研究发现通过适应性实验室进化(ALE)可显著提升Chlorella pyrenoidosa对半乳糖的代谢效率，进化菌株(AD)比野生型(WT)比生长速率提升17倍（1.55 d?1 vs 0.09 d?1）。转录组分析揭示Leloir途径和糖酵解(EMP)通路上调，UDP-葡萄糖焦磷酸化酶表达量激增37.2倍。在红藻水解液培养中，AD菌株的增长率、蛋白质含量和生产率分别提高42.41%、23.46%和47.91%，为降低异养微藻培养成本提供了新策略。

　　

Highlight

通过适应性实验室进化(ALE)显著提升Chlorella pyrenoidosa的半乳糖利用效率，进化菌株(AD)在半乳糖培养基中的比生长速率达到1.55 d^?1，较野生型(WT)的0.09 d^?1实现数量级突破。蛋白质积累在所有碳源条件下均得到显著改善。

Introduction

微藻异养培养因具有更高生长速率和可控培养条件而备受关注，但碳源成本过高限制其产业化应用。除葡萄糖、乙酸和甘油外，其他有机碳源的利用效率普遍低下。微藻对外源碳源的利用涉及跨膜运输和中心碳代谢两条关键路径，部分藻类虽具备糖转运系统却因代谢通路不完整或酶活性不足而难以有效利用特定碳源。ALE技术通过人工选择压力驱动微生物定向进化，是解析代谢机制和强化菌株表型的有效手段。

Section snippets

微藻菌株与培养条件

本研究采用遗传背景清晰的Chlorella pyrenoidosa FACHB-9，通过稀释平板法纯化后，于含5 g·L^?1葡萄糖的BG-11液体培养基中30°C、150 rpm振荡培养。

ALE强化半乳糖利用

野生型C. pyrenoidosa在半乳糖培养基中即使接种量达0.5 g·L^?1时比生长速率仅约0.3 d^?1。经过多轮ALE进化后，菌株逐步适应半乳糖环境，最终获得比生长速率达1.55 d^?1的高效突变株。

Conclusion

ALE技术成功使C. pyrenoidosa的半乳糖比生长速率从0.09 d^?1提升至1.55 d^?1。转录组分析表明Leloir途径和糖酵解(EMP)通路显著上调，磷酸戊糖途径(PPP)下调，其中UDP-葡萄糖焦磷酸化酶表达量激增37.2倍，被鉴定为半乳糖代谢的关键限速酶。在红藻水解液培养中，AD菌株的增长率、蛋白质含量和生产率分别提升42.41%、23.46%和47.91%，证实其在实际应用中的巨大潜力。