动态模型优化半连续培养技术提升钝顶螺旋藻C1藻蓝蛋白产量的研究

本研究针对钝顶螺旋藻(Arthrospira platensis)C1在藻蓝蛋白(C-PC)生产中受氮源限制的关键问题，通过ODE动态模型模拟0.25-2.0 mM N铵盐浓度下的培养过程，优化出1.8 mM N初始浓度结合36 h采收间隔的半连续培养方案，使C-PC含量提升至28% DW，为微藻高值化生产提供精准调控工具。

　　

在全球面临粮食安全与可持续发展挑战的背景下，微藻因其高效光合作用和丰富营养价值成为研究热点。钝顶螺旋藻(Arthrospira platensis)作为商业化程度最高的藻种之一，其特有的藻蓝蛋白(C-phycocyanin, C-PC)兼具食品着色、抗氧化和荧光标记等多重价值，全球市场规模预计2033年将达14.8亿美元。然而当前工业化生产中C-PC含量仅7% DW，远低于其天然15-20%的潜力水平，主要瓶颈在于氮源利用效率低下——传统硝酸钠培养基成本高昂，而铵盐替代方案又面临浓度调控不精准导致的蛋白降解问题。

针对这一难题，泰国国王科技大学的研究团队在《Algal Research》发表研究，将其前期开发的动态模型拓展应用于半连续培养系统优化。该模型创新性地整合了amt/glnA/cpcA/nblA等氮代谢相关基因的动态调控机制，以及GS-GOGAT途径中谷氨酰胺/谷氨酸的代谢流分析。通过ODE方程组模拟不同铵盐浓度(0.25-2.0 mM N)下的培养过程，结合Beer-Lambert定律修正光衰减效应，最终确定1.8 mM N初始浓度配合36小时采收间隔的最优方案，使C-PC产量提升至28% DW，较传统工艺提高300%。

关键技术包括：1）建立包含细胞内氮配额(Droop模型)和光衰减效应的多尺度动态模型；2）采用RMSE和相关系数进行模型验证；3）在5L光生物反应器中开展批次/半连续培养对比实验；4）通过HPLC定量C-PC含量。

【动态模型校准】
通过扩展初始铵盐浓度范围至2.0 mM N，模型成功预测高氮条件下细胞生长迟滞现象。实验数据显示1.5 mM N组在72小时生物量达3.8 g/L，与模拟结果误差<5%，证实模型在预测NH₄
⁺
消耗动力学方面的可靠性。

【半连续工艺优化】
模拟发现1.8 mM N初始浓度可使系统稳定维持0.2 mM N残余铵水平，避免氮饥饿引发的cpcA基因下调。36小时采收周期恰处于C-PC合成峰值期，较24小时方案提高产量17%。

【实际应用验证】
在200L中试系统中，优化方案使单位生产成本降低42%，同时减少35%的氮废液排放，证实模型指导下的半连续培养兼具经济性与环保优势。

该研究首次实现从基因调控到工艺参数的跨尺度优化，其模型框架可推广至其他高价值藻类产物的生产。特别值得注意的是，通过揭示nblA基因表达与残余铵浓度的非线性关系，为理解氮胁迫下藻胆体降解机制提供了新视角。成果对实现联合国SDG2(零饥饿)和SDG12(负责任消费)目标具有双重意义，既提升了微藻蛋白的生产效率，又通过精准氮管理减少了农业面源污染。正如作者指出，这种"计算生物学指导下的精准养殖"模式，可能成为未来可持续生物制造的新范式。