说海藻:使用合成生物学利用微藻的古老力量

阿尔伯特·爱因斯坦的名言:“知识是经验的唯一来源。”

如果我们采取这一原则extreme-say,数百万甚至数十亿年的生活在地球上的经历吗?知识是什么?

我们不需要猜测。我们可以看到微藻,一些最古老和最有经验的“生物在我们的星球上。

但是,这引出了一个问题,人类如何利用微藻的“生活经验”获得有价值的知识?为此,我们必须学会说“语言”并将这些信息转化为对社会有用的应用程序和它的行业。令人惊讶的是,最近的进步在微藻生物技术、合成生物学、生物制造,是可能的。

微藻:一个长期成功的简历

在地球上的时间,微藻一直忙。鉴于数亿年的实验,微藻进化的遗传和生化技能需要生存和殖民地球上几乎每一个类型的生态系统,包括一些最荒凉的,¹像死海的高盐环境。²

连续进化需要掌握地球的许多生态系统将创建一个令人印象深刻的微藻类物种的多样性,与保守估计大约有70000³ 物种和其他人达到200000几百万。^1,4通过自然选择,每个物种成为调整他们的特定的光照条件和可用资源。每个物种也最终开发出独特的天然产品资料和代谢特点,将光和二氧化碳转化为特定的生存所需的有机材料。

虽然微藻已经用于食品和营养世界几个世纪以来,⁵直到20世纪中叶,科学家开始研究微藻生物技术的应用。研究人员意识到微藻可以作为一个可持续,photosynthesis-powered表达式底盘。

第一个成功的例子发生在1980年代,商业组织培养杜氏生产β-carotene,⁶营养补充剂的身体转化成维生素a。我们现在知道微藻类物种可以产生多种高价值的材料,如色素、风味,香味,生长因子,脂肪酸,抗氧化剂,寡糖,蛋白质,萜烯,氨基酸,多肽,更多的重点行业所需的材料。直到最近,大多数的藻类生物技术注意力和资金集中在生物燃料生产,有限的商业上的成功。⁷

超越藻类生物燃料

到了2000年代末和2010年代初,生物燃料研究人员迷住了微藻生产生物质能的能力丰富多样化的高能分子,如长链多不饱和脂肪酸。⁸

然而,特定的技术挑战杜绝商业上的成功。生物燃料生产商努力提高微藻培养商业规模保持快速增长,光合效率、理想的代谢,和藻类的稳定性。⁹而探索尚未开发的微藻类多样性找到更多fit-to-purpose表达式底盘可以解决这些挑战,数据挖掘,特征选择,和新物种的发展往往是时间和劳动密集型的。因此,生物燃料生产商主要集中在一小部分已知的微藻类物种,缩小微藻应用程序的共同愿景。

此外,微藻大规模培养,露天池塘系统容易污染和不一致的生产。不幸的是,更严格控制的生产过程使用photo-bioreactors也不可行,尤其是在他们的光源。⁹

虽然微藻类生物燃料仍有潜力,这些挑战表明,是时候考虑微藻作为一种表达底盘更广泛的材料,尤其是那些需要在较小的尺度上比生物燃料。现在由生物燃料的研究结果,组织推动实现丰富的机会利用微藻生产高价值低容量的产品。¹⁰发现商业相关性将呈现指数级增长,随着越来越多的微藻类物种为特征,因为只有少量(~ 15)今天变得有意义的商业规模。

开启微藻类物种在合成生物学的新时代

在过去的几年中,先进的合成生物学方法使微藻物种的发现和映射和他们的行业,molecule-specific潜在的更有效和标竿。¹¹除了改善重组基因转移和基因编辑技术,¹²人工智能(AI)的指数增长和机器学习大型数据集管理和分析更快和更少的劳动密集型。¹³反过来,这使得更好的代谢剖面建模,提供更准确的预测每个物种的能力产生一个特定的材料。现在,个人寻求biomanufactured替代特定化学合成材料可以更容易找出一个物种自然会产生或相关的前兆。

这些进步也使得更好地描述这些物种及其特定的培养需求。因此,研究人员可以更快地确定最优条件,使特定的微藻快速增长和生产他们的目标分子。

生产规模:照明与端到端藻类工具的方式

照明的小型微藻的文化。信贷:Provectus藻类

利用微藻物种的bioproduction功能也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巩固了,光照条件严重影响藻类的生长,在种特异的基因表达和生物材料生产的基础。光微藻类与环境交互的主要媒介。因此,利用微藻的自然多样性,我们必须说海藻使用光作为我们的语言。

微藻维护复杂的感光系统,由光感受器和相关信号通路的一个网络。¹⁴这些感光细胞控制不同的生物功能和调节特定基因的表达帮助藻类应对变化的环境条件。在不同的生态系统进化,这些光物种之间明显不同,他们的光感受器和在活的有机体内其所控制的功能。¹⁵因此,biomanufacturers必须理解这个复杂的光感受器功能网络为每一个物种。能够仔细调整光合作用,biomanufacturers可以控制微藻生长、发展,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也帮助研究人员确定和增强这两个理想光照条件以及环境影响价值的有机材料的生产和重组基因表达跨物种。

利用藻类与光的特殊关系,biomanufacturers需要photo-bioreactors能力提供高强度光在各种特定波长和照明时间。直到几年前,这是几乎不可能在商业规模。然而,最近现在LED技术的进步使更先进photo-bioreactor方法,¹⁶解决他们过去的挑战。而一旦限制到特定波长,led可以产生光在更广泛的范围。¹⁷此外,led也更有效率,更小,更便宜,¹⁸在生物反应器大大增加他们的商业可行性。这些领导的进步能够构建理想光照条件对特定藻类物种没有限制关于photo-bioreactor设计和操作费用。

而改善照明是最重要的科技进步,充分保护脆弱的微藻结构仍然是另一个持续扩大的挑战。¹⁹新的生物反应器方法和文化策略也有助于提高微藻生物制造期间稳定。此外,计算流体动力学的发展提高了我们的能力来预测和理解光穿透水、气体传输效率,流体流动,以更好地保护脆弱的藻类物种,历史上一直难以生长。^20.结合了进步,这意味着商业可行性photo-bioreactors现在可能和可用,开放更大的规模的机会。

“明亮”的未来

巨大的未开发的微藻类物种多样性是一位杰出的机会产生重要的材料基础上进化的经验。尽管相对较少的微藻物种已经充分地探索和特点,网上一些工作正在进行中,以带来更多的物种。有一个更好地了解这些物种已经产生红利,特别是当与端到端生物制造方法。

微藻生物技术社区已经从过去的挑战,现在可以使微藻bioproduction普遍在许多行业,包括制药、生物制药、动物健康、农业、食品和饮料、能源和超越。尽管只有区区200000年,人类经验也有其优点。这种累积知识,至少LED-bright微藻的未来。

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