《Algal Research》：Harnessing the productive capacity of
Phaeodactylum tricornutum: Mannitol-induced metabolic cross-talk synergistically enhances fucoxanthin production and extracellular vesicle synthesis
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•添加甘露醇可提升三角褐指藻中岩藻黄质与EV的产量。•甘露醇能激活中心碳代谢，增加前体物质供应。•甘露醇可增强PSII功能与电子传递能力，提升细胞的还原力。•代谢重编程会改变膜脂组成，促进功能性EV的分泌。引言三角褐指藻属于微藻中的模式海洋硅藻，在微藻生物技术领域具有巨大应用潜力
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添加甘露醇可提升三角褐指藻中岩藻黄质与EV的产量。
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甘露醇能激活中心碳代谢，增加前体物质供应。
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甘露醇可增强PSII功能与电子传递能力，提升细胞的还原力。
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代谢重编程会改变膜脂组成，促进功能性EV的分泌。
引言
三角褐指藻属于微藻中的模式海洋硅藻，在微藻生物技术领域具有巨大应用潜力，被视为可持续的细胞工厂[1]、[2]、[3]。其优势在于生长速度快、遗传操作体系完善且具备多种代谢途径。该菌株可用于合成多种高价值次生代谢产物，尤其是岩藻黄质。岩藻黄质是一种独特的类胡萝卜素，含有大量环氧基和烯丙基结构，具有优异的抗氧化、抗肥胖和抗炎作用，在功能食品开发及药物研究领域应用前景广阔[4]、[5]。研究表明，三角褐指藻中的岩藻黄质含量可达细胞干重的1.0%–2.5%，约占其总天然类胡萝卜素储量的10%，是重要的天然岩藻黄质来源[6]。然而在传统的严格光自养培养体系中，三角褐指藻的生物量产量与岩藻黄质合成效率受到极大限制，这成为制约其大规模工业化生产以及相关高价值产品发展的关键技术瓶颈[7]、[8]。
为解决这些技术难题，混合营养培养策略成为大规模合成高价值微藻产品领域的核心技术方向及研究重点[9]。该策略通过引入外源有机碳源，构建了光合作用固定的二氧化碳与外源有机碳共同代谢的调控网络，为细胞生理代谢提供高效的能量供应和碳骨架支持。这一方法绕过了光合作用的限速步骤，同时提升了生物量产量与目标代谢产物的合成效率[10]、[11]、[12]、[13]。前期研究已证实，包括植物水解物[6]、海带水解物[14]、葡萄糖[15]和甘油[16]在内的传统有机碳源，都能显著促进三角褐指藻的生物量增长和岩藻黄质积累。但在硅藻混养系统中，这些碳源存在明显局限性：葡萄糖会导致碳过量积累和活性氧增多，甚至抑制Nitzschia sp.中的岩藻黄质生物合成[17]、[18]；甘油需要经甘油激酶磷酸化处理，还会降低三角褐指藻中PSII的光化学活性[12]，且其产率提升很大程度上依赖于光照强度调整等多因素优化[19]；而水解物这类复杂底物则含有未被鉴定的氮类和有机杂质，会干扰代谢组分析结果[20]。相比之下，甘露醇作为褐藻的天然光合产物，可通过甘露醇-2-脱氢酶转化为果糖-6-磷酸，直接进入MEP途径上游的中心碳代谢途径[21]、[22]——这是所有能利用外源甘露醇的褐藻门物种共有的特性。甘露醇在香叶基香叶基焦磷酸这一共同前体节点与卡尔文循环相衔接，形成了一个代谢捷径，既能减少碳损失，又能将代谢流定向引导至异戊二烯类次生代谢，从而为其高岩藻黄质产量提供了机制基础[23]。此外，作为兼容性溶质，甘露醇还能调节藻类的氧化应激反应并促进孢子萌发[24]，这一作用机制是葡萄糖和甘油所不具备的，与膜生物合成过程也存在关联。综合这些证据表明，甘露醇相比传统有机碳源具有更高的生理兼容性和利用效率。
除了传统代谢产物外，EV近年来还被视为具有生物活性的载体，能够介导细胞间通讯[25]、[26]，在疾病诊断、靶向药物递送及临床治疗领域具有广阔应用前景[27]、[28]。EV是由磷脂双分子层包裹的纳米颗粒，几乎所有活细胞类型都能分泌此类颗粒[29]、[30]。EV的核心特性在于能够运输来自母细胞的多种生物活性分子，包括蛋白质、核酸、脂质以及小分子代谢物。EV可通过与受体细胞表面的特定分子结合启动细胞内信号通路，也可通过膜融合直接释放内容物，或是通过吞噬作用、内吞作用等途径进入细胞，进而影响靶细胞的生理功能与病理状态[31]、[32]。例如，源自肿瘤细胞的EV可通过递送致癌微RNA来调控基质细胞，从而改变肿瘤微环境，促进肿瘤侵袭和转移[33]；相反，源自间充质干细胞的EV则可通过递送抗炎因子及组织修复相关蛋白，发挥组织损伤修复的治疗作用[34]、[35]。
与哺乳动物产生的EV相比，微藻来源的EV具有多项优势，包括生产成本更低、培养周期更短、易于大规模培养以及生物安全性更高[36]、[37]。这些特点使得微藻来源的EV成为具有巨大应用潜力的可持续生物活性载体。例如，小球藻产生的EV可通过递送超氧化物歧化酶等抗氧化酶来减轻细胞氧化应激[5]；而Dunalensis产生的EV则被用作包封姜黄素及其他化合物的口服递送载体，显著提升了这些物质在胃肠道内的稳定性与生物利用度[38]。我们之前的研究进一步证实，三角褐指藻产生的EV可通过调控TNF、IL-17和MAPK信号通路有效缓解氧化应激[39]，同时还能作为靶向递送载体，提高功能成分的体内生物利用度[40]。不过，微藻中EV的生物合成与分泌机制尚未被完全阐明，尤其是细胞对不同碳源等营养信号的响应调控机制，目前还缺乏系统研究[41]、[42]。已有研究表明，当微藻处于营养匮乏状态恢复时，可通过EV将过量的活性氧等有害细胞内代谢物转运到细胞外，从而帮助细胞恢复，这说明营养条件对EV的产生与功能起着关键调控作用[43]、[44]。然而，尤其是在混养培养条件下，微藻中碳代谢流与EV分泌之间的定量因果关系尚未明确。这一知识空白限制了我们通过合理调控微藻代谢来提高EV产量的能力，进而阻碍了相关技术的工业化应用。
因此，本研究以甘露醇作为混合营养碳源，通过调控三角褐指藻的代谢网络，系统评估其对细胞生长特性、岩藻黄质合成效率以及EV的产生与组成的影响。本研究结合生理学数据与无靶向代谢组分析，旨在阐明甘露醇诱导的三角褐指藻代谢重编程机制，重点关注中心碳代谢的重构、生物合成前体的分配以及EV生物发生途径的调控。最终，本研究将评估在甘露醇作用下同步生产岩藻黄质与生物活性EV的技术可行性与应用潜力。
章节摘要
微藻培养
本研究使用的三角褐指藻 Pt.20菌株是从中国科学院水生生物研究所的藻类培养库中获取的。实验开始前，藻细胞会在经过改良的f/2培养基中于22?±?1?°C下预培养，以维持稳定的细胞存活率。在正式实验中，会将甘露醇作为外源碳源加入灭菌后的f/2培养基中。根据甘露醇浓度的不同，共设置了七组实验处理组。
甘露醇对三角褐指藻生长的影响
在本研究中，我们通过系统测定不同浓度甘露醇（作为外源碳源）处理下三角褐指藻细胞密度的动态变化，定量分析了其对细胞生长的影响，实验浓度范围为1至7?g/L（见图1A）。实验结果表明，在指数生长阶段（第2至10天），甘露醇对细胞增殖具有剂量依赖性作用，具体而言，1至6?g/L浓度的甘露醇都能促进细胞生长。
结论
本研究表明，甘露醇作为一种高效混养碳源，可通过调控中心碳代谢网络并引发“代谢交互作用”，协同提升岩藻黄质与EV的产量。在2.05?g/L的最佳浓度下，岩藻黄质的产量提升了25.6%，EV的分泌滴度提升了31.9%，同时囊泡颗粒的大小均匀性也有所改善。代谢组分析结果显示……
CRediT作者贡献说明
徐冉：撰写——初稿、实验研究、概念设计。南景伟：软件分析。宋秋峰：正式数据分析。张立涛：撰写——审稿与编辑。蔡璐云：项目监督。
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。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（编号：32400299）、浙江省自然科学基金（编号：LQ24C200008）、宁波市自然科学基金（编号：2024?J166）、宁波市关键技术研究与发展计划（编号：2024Z282）。
Ran Xu|Jingwei Nan|Qiufeng Song|Litao Zhang|Luyun Cai
