重组蛋白分泌型莱茵衣藻的构建及其在哺乳动物环境下的治疗潜力研究

为解决慢性疾病治疗中蛋白质药物频繁注射和局部递送难题，研究人员通过基因工程改造莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii），使其稳定分泌荧光报告蛋白mVenus。研究证实该改造不影响微藻的生理适应性，并在模拟哺乳动物环境的培养基（DMEM-2.5% FBS）及30-37℃条件下维持4天的蛋白分泌能力。进一步将工程化藻类植入生物材料（如藻酸盐敷料和胶原支架），实现了持续蛋白释放。该成果为开发自给式局部治疗系统提供了新思路，发表于《Journal of Biological Engineering》。

　　

慢性疾病如糖尿病和血友病需要频繁注射蛋白质药物（如胰岛素和凝血因子），但现有递送系统存在药物降解快、患者依从性差等问题。传统生产平台（如大肠杆菌和哺乳动物细胞）各有局限：前者缺乏翻译后修饰能力，后者成本高昂。光合微生物莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）因其真核蛋白加工能力、低培养成本和安全性（FDA认证GRAS）成为潜在替代方案，但其在哺乳动物生理环境（如37℃和复杂培养基）中的表现尚未明确。

智利天主教大学（Pontificia Universidad Católica）的Felipe Carvajal团队通过uLoop和MoClo工具包构建了两种基因工程藻株：胞内积累型（IN）和分泌型（EX），分别表达荧光蛋白mVenus。研究评估了藻株在标准培养条件（TAP培养基，22℃）和模拟哺乳动物环境（DMEM-2.5% FBS，22-37℃）下的生长、代谢及蛋白分泌能力，并进一步测试了其在三种生物材料（手术缝合线、藻酸盐敷料和胶原支架）中的释放特性。

关键技术方法

1. 质粒构建：利用uLoop系统组装含SAP11启动子和pJP30分泌信号的表达载体，通过玻璃珠法转化细胞壁缺陷型藻株UVM4。
2. 表型分析：通过流式细胞术、共聚焦显微镜和氧电极测定藻株的荧光蛋白表达、亚细胞定位及光合活性。
3. 环境适应性测试：在DMEM-2.5% FBS培养基中，22-37℃下连续监测4天的生长曲线和氧代谢。
4. 生物材料整合：将藻株负载于藻酸盐敷料和胶原支架，量化mVenus的释放动力学。

研究结果
mVenus表达对莱茵衣藻适应性的影响
工程化藻株在标准条件下与野生型（WT）生长速率（倍增时间15.8-17.3小时）、叶绿素含量和氧代谢无显著差异。流式细胞术显示IN株91.5%细胞为mVenus阳性，而EX株仅18.2%，但共聚焦显微镜证实EX株的mVenus定位于分泌囊泡。

哺乳动物环境下的蛋白表达
在DMEM-2.5% FBS中，所有藻株在37℃下维持4天活力，仅IN株第2天生长轻微受限。EX株在37℃下mVenus分泌量显著高于22℃（1.93×10⁴
vs 0.93×10⁴
RFU），且氧生成速率在30℃时最高（峰值第1天）。

生物材料中的蛋白释放
藻酸盐敷料中EX株的mVenus释放量从第2天持续增加（30℃和37℃下分别提升135%和193%），而胶原支架中IN株因细胞裂解出现意外泄漏。手术缝合线因藻负载量低，仅能通过显微镜检测荧光。

结论与意义
该研究首次证明莱茵衣藻能在哺乳动物生理环境下稳定分泌功能性蛋白，且基因改造未损害其核心代谢功能。通过结合光合生物材料，实现了长达4天的局部蛋白递送，为慢性伤口治疗和缺氧性疾病（如糖尿病足）提供了创新解决方案。未来需优化高温（37℃）下的表达效率，并探索诱导型启动子以实现按需释放。这一平台兼具成本效益和模块化优势，有望突破传统蛋白药物的递送瓶颈。