用于生产胞外多糖的红藻Porphyridium sp. N?g. P-519的生物化学特性分析及培养条件优化

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Biochemical characterization and cultivation optimization of the red microalgaPorphyridiumsp. N?g. P-519 for exopolysaccharide production.

　　

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  研究了Porphyridium sp. N?g. P-519的培养条件；
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  蒸馏水胁迫会促使胞外多糖大量积累；
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  明确了该培养物独特的色素组成。

引言

微藻属于新一代生物工厂，与酵母和细菌类似[1]。这类平台成本可能更低、更具可持续性，且天然适合生产某些植物基产品[2, 3, 4]。微藻能够高效产生多种有价值的代谢产物，包括碳水化合物、脂质、蛋白质、色素以及多种商业用途的次级代谢产物[2, 4, 5, 6, 7, 8]。微藻制品成本低廉、天然无毒、安全且可生物降解[8, 9, 10, 11, 12]。

在用于生物技术工业生产的微藻中，属于Porphyridium属的红藻因能产出胞外多糖、藻胆蛋白和多不饱和脂肪酸等有价值化合物而越来越受到关注[2, 8, 12, 13]。

Porphyridium属的胞外多糖具有多种生物活性：抗氧化、抗炎、降胆固醇、抗肿瘤、免疫调节以及降血糖作用[5, 8, 13, 14, 15]。含有硫的Porphyridium多糖对疱疹病毒（HPV-1和HPV-2）以及冠状病毒家族的呼吸道病毒具有更强的抗病毒活性[3, 5, 8, 13]。此外，胞外多糖还具有抗菌作用，例如仅需添加31.3 μg/mL即可使白色念珠菌的生物膜形成减少约90%，同时降低乳腺癌细胞的存活率55%[8]。在抗氧化方面，0.1%浓度的胞外多糖溶液对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌也有抑制作用，抑制率分别为70%和35%[3, 13, 14]。其硫酸化多糖层还具有抗辐射作用，能保护微藻免受强阳光照射的伤害[3, 8, 14]。

Porphyridium属最早由Nageli在1849年发现并描述[6]。与其他同类物种一样，它也能产生具有多种益处生物活性的物质，在文献中已被证实是硫酸化碳水化合物聚合物、多不饱和脂肪酸以及色素的来源[1, 8, 16, 17, 18]。

进一步了解微藻的培养方法、代谢产物提取方法以及用于分析其特性的检测技术，有望提升相关产业的经济竞争力。因此，研究红藻的培养方式，以及不同因素（如营养培养基的成分）对有价值产物合成的影响，具有重要的生态学、生物技术学和商业价值[1, 14, 19]。本研究针对的是具有工业应用潜力的单细胞红海洋微藻——Porphyridium sp. N?g。

Porphyridium属的碳水化合物具有多种重要特性：抗氧化、抗凝血、免疫调节、抗菌、抗病毒、抗炎、抗溃疡、抗突变和抗肿瘤，同时还具备生物吸附、降胆固醇以及作为营养补充剂的功能[2, 3, 13, 20]。尽管这类微藻种类繁多且生物学意义重大，但至今仍缺乏足够的研究[14, 21, 22, 23, 24]。虽然已确定Porphyridium sp. P-519株是极具潜力的胞外多糖生产者[40]，但其代谢潜力仍有待深入探索。目前尚无数据表明培养条件（光照强度、盐度、培养方式）如何影响该菌株中碳水化合物与藻胆蛋白（藻红素和别藻蓝蛋白）的合成平衡。此外，现有的Porphyridium生长数学模型都是为其他菌株建立的，既没有考虑P-519的独特特性，也未充分考虑不同培养策略下各种目标代谢产物之间的复杂权衡关系[47]。本研究旨在探究红藻Porphyridium sp. N?g P-519的生化特性，并优化其培养条件以提高胞外多糖的产量。

本研究的科学创新之处在于，明确了来自俄罗斯科学院藻类研究所收藏的红色微藻Porphyridium sp. N?g的生化特性（脂质、蛋白质、多糖及色素含量），以及影响该菌株生产力、促进胞外多糖最大量合成的培养化学条件。

章节要点

研究对象

本研究的研究对象是来自俄罗斯科学院K.A. Timiryazev植物生理学研究所微藻收藏库的Porphyridium sp. N?g. P-519菌株。

该菌株在25±1 °C条件下，于试管和带有棉纱塞的锥形Erlenmeyer烧瓶中培养30天，所使用的培养基为推荐的Brody & Emerson最大营养培养基（Biolab公司，俄罗斯莫斯科）。该营养培养基需提前制备，并在121 °C下高压灭菌。

Porphyridium sp.的形态学特征描述结果

识别微藻的最重要依据是其形态特征。Porphyridium sp. N?g的形态特征如图1所示。该菌株的形态与Porphyridium属的其他物种相似。其微藻细胞内含有粉红色的内容物（图1a–c），而用卢戈尔溶液染色后可见棕色内含物——即内碳体（图1c）。

在整个培养过程中

讨论

微藻是生物活性化合物的天然来源[40, 41]。本研究主要聚焦于IPPAS收藏库中的Porphyridium sp. N?g. P-519菌株，该菌株被收录已有20多年，但目前国内外相关文献中均无关于它的记载。研究表明，该菌株在培养过程中能够形成直径为8–15 μm的中等大小单细胞，这些细胞多为球形或

结论

本研究进一步完善了Porphyridium sp. N?g. P-519的培养优化流程。该菌株的形态结构及细胞繁殖方式与Porphyridium属的其他物种相似。研究建议的适宜培养温度为25±1 °C，pH值范围为6–8，搅拌方式为每天手动搅拌一次。

这类微藻能够产生胞外多糖，通过乙醇沉淀法分离后其含量可达67.8 mg/mL，占细胞干重的66%。其中最有效的提取溶剂为

研究的局限性

本研究存在若干局限性。首先，常规用于检测碳水化合物含量的酚硫酸法无法区分胞外多糖与其他含碳水化合物的化合物。其次，在自来水实验中未检测细胞存活率，这限制了对胞外碳水化合物含量升高的解释。最后，也并未进行生物活性测试来验证所探讨的潜在应用价值。

CRediT作者贡献说明

Olga Babich：写作——审稿与编辑，概念设计。Anastasia Volkova：方法学。Egor Kashirskikh：方法学。Ekaterina Budenkova：写作——初稿撰写，方法学，定量分析。Svetlana Ivanova：写作——审稿与编辑，定量分析。Stanislav Sukhikh：写作——初稿撰写，项目管理，定量分析，概念设计。Marina Krasnovskikh：方法学。Yulia-Danaya Boichenko：方法学

未引用参考文献

31.; 32.

机构审查委员会声明

无需提交。

数据可用性

本文结论所依据的原始数据，将应合格研究人员的请求予以提供。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

Olga Babich|Svetlana Ivanova|Ekaterina Budenkova|Egor Kashirskikh|Anastasia Volkova|Yulia-Danaya Boichenko|Marina Krasnovskikh|Stanislav Sukhikh