说藻类:利用合成生物学挖掘微藻的古老力量

爱因斯坦有句名言:“知识的唯一来源是经验。”

如果我们将这一原则发挥到极致——比如，在地球上生活了数百万年甚至数十亿年?有什么知识可以利用?

我们不需要猜测。我们可以看看微藻，这是我们星球上最古老和“最有经验”的生物之一。

但是，这就引出了一个问题，人类如何利用微藻的“生活经验”来获取有价值的知识?要做到这一点，我们必须学会说他们的“语言”，并将这些信息转化为对社会及其行业有用的应用。令人惊讶的是，最近在微藻生物技术、合成生物学和生物制造方面的进步正在使这成为可能。

微藻:一份漫长的成功履历

微藻在地球上生存期间一直很忙碌。经过数亿年的实验，微藻进化出了生存所需的遗传和生化技能，并在地球上几乎所有类型的生态系统中殖民，包括一些最不适宜居住的生态系统，¹比如死海的高盐环境。²

为了掌握地球上的许多生态系统，需要不断的进化，从而创造了令人印象深刻的微藻物种多样性，保守估计约有7万种^3. 物种数量从20万到几百万不等。^1，4通过自然选择，每个物种都能适应特定的光照条件和可用资源。每个物种最终都发展出了独特的自然产物特征和代谢特征，将光和二氧化碳转化为生存所需的特定有机物质。

虽然几个世纪以来，微藻一直被用于世界各地的食品和营养，⁵直到20世纪中叶，科学家才开始探索微藻在生物技术中的应用。研究人员意识到微藻可以被用作可持续的、光合作用驱动的表达底盘。

第一个成功的例子发生在20世纪80年代，当时商业集团进行了文化培养杜氏为了产生β-胡萝卜素，⁶我们现在知道，微藻物种可以生产各种高价值的材料，如颜料、香料、香料、生长因子、脂肪酸、抗氧化剂、低聚糖、蛋白质、萜烯、氨基酸、多肽，以及关键行业所需的更多材料。直到最近，绝大多数藻类生物技术的注意力和资金都集中在生物燃料生产上，商业成功有限。⁷

超越藻类生物燃料

到21世纪初和21世纪初，生物燃料研究人员被微藻生产富含多种高能分子(如长链多不饱和脂肪酸)的生物质的能力所吸引。⁸

然而，具体的技术挑战阻碍了商业成功。生物燃料生产商努力将微藻种植增加到商业规模，同时保持快速的生长速度、光合效率、理想的代谢特征和藻类的稳定性。⁹虽然探索尚未开发的微藻多样性以找到更适合目的的表达载体可以解决其中一些挑战，但数据挖掘、表征、选择和新物种的开发往往太费时和劳动密集。因此，生物燃料生产商主要集中在已知微藻物种的一小部分，这缩小了微藻应用的整体视野。

此外，在大型露天池塘系统中培养的微藻容易受到污染和产量不一致。不幸的是，使用光生物反应器进行更严格控制的生产过程在当时也不可行，特别是在光源方面。⁹

虽然微藻生物燃料仍有潜力，但这些挑战表明，现在是时候考虑将微藻作为更广泛材料的表达底盘了，特别是那些比生物燃料更小规模所需的材料。在生物燃料研究发现的推动下，各组织现在意识到利用微藻生产高价值低产量产品的丰富机会。¹⁰随着越来越多的微藻物种被鉴定，具有商业价值的发现将呈指数级增长，因为目前只有一小部分(约15种)的微藻生长在有意义的商业规模上。

在合成生物学的新时代解锁微藻物种

在过去的几年里，先进的合成生物学方法已经使得微藻物种及其行业和分子特异性潜力的发现和绘制更加有效和目的驱动。¹¹除了改进的重组基因转移和基因组编辑技术，¹²人工智能(AI)和机器学习的指数级增长使大型数据集管理和分析变得更快，减少了劳动密集型。¹³反过来，这使得更好的代谢剖面建模成为可能，为每个物种生产特定物质的能力提供更准确的预测。现在，寻求特定化学合成材料的生物制造替代品的个人可以更容易地找到自然准备生产它的物种或相关的前体。

这些进展也使得更好地描述这些物种及其特定的栽培要求成为可能。因此，研究人员可以更快地确定使特定微藻快速生长并产生目标分子的最佳条件。

规模化生产:端到端的藻类工具照亮道路

小尺度微藻培养物的照明。来源:Provectus Algae

利用微藻物种的生物生产能力还需要新的先进制造技术来解决微藻的历史性扩大挑战。

最重要的是，过去十年的藻类研究已经证实，光照条件在物种特定的基础上对藻类生长、基因表达和生物材料生产产生了巨大影响。光是微藻与环境相互作用的主要媒介。所以，为了挖掘微藻的自然多样性，我们必须用光作为我们的语言来和藻类说话。

所有的微藻都维持着复杂的光敏系统，由感光器网络和相关的信号通路组成。¹⁴这些光感受器控制不同的生物功能，并调节特定的基因表达，以帮助藻类对不断变化的环境条件做出反应。由于在非常不同的生态系统中进化，这些光系统在不同物种之间差异很大，它们的光感受器和光感受器也是如此在活的有机体内它们控制的功能。¹⁵因此，生物制造商必须了解这种复杂的光感受器网络是如何为每个物种发挥作用的。有了仔细调节光合作用的能力，生物制造商可以控制微藻的生长、发育和生物材料的表达来满足他们的需求。重要的是，人工智能和合成生物学方法还可以帮助研究人员确定和增强理想的光照条件，以及影响有价值有机材料生产和跨物种重组基因表达的条件。

为了利用藻类与光的特殊关系，生物制造商需要光生物反应器，能够在各种特定波长和照明周期内提供高强度的光。直到几年前，这在商业规模上几乎是不可能的。然而，最近LED技术的进步使更先进的光生物反应器方法成为可能，¹⁶解决他们过去的挑战。虽然曾经被限制在特定波长，但现在led可以产生更广泛的光谱。¹⁷此外，led现在也更高效、更小、更便宜，¹⁸这大大提高了它们在生物反应器中的商业可行性。总之，这些LED技术的进步使得为特定藻类构建理想的光照条件成为可能，而不受光生物反应器设计和操作费用的限制。

虽然改善照明是最重要的技术进步，但充分保护微藻脆弱的结构仍然是另一个持续的扩大挑战。¹⁹新的生物反应器方法和培养策略也有助于增加微藻在生物制造中的稳定性。此外，计算流体动力学的进步提高了我们预测和理解光在水中的穿透能力、气体转移效率和流体流动的能力，从而更好地保护历史上难以生长的脆弱藻类物种。^20.结合LED的进步，这意味着商业上可行的光生物反应器现在是可能的和可用的，开辟了更大规模的机会。

一个“光明”的未来

大量未开发的微藻物种多样性代表了一个通过进化经验来生产重要材料的绝佳机会。虽然相对较少的微藻物种已经被充分探索和表征，但一些努力正在进行中，以使更多的物种在线。对这些物种有更深入的了解已经产生了好处，特别是当与端到端生物制造方法相结合时。

微藻生物技术社区已经从过去的挑战中吸取了教训，现在已经准备好使微藻生物生产在许多行业中成为常态，包括制药、生物制药、动物保健、农业、食品和饮料、能源等。尽管我们只有区区20万年的历史，但人类的经验也有其优点。有了这些累积的知识，微藻的未来至少是光明的。

引用:

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