光合作用合成生物学激发藻类应用潜力,力争实现异养细胞向光合自养细胞转化

摘要:西湖大学生命科学学院的李小波博士,与我们分享他在开发光合生物遗传学与合成生物学研究工具方面的探索与成果

光合生物(陆地植物、藻类及光合细菌)遍布陆地和海洋,通过光合作用将太阳能转化为人类需要的氧气、食物、能源、材料以及药物。融合基因组学、基因组编辑及合成技术、计算能力的多学科背景,光合作用合成生物学打开了一个全新的研究模式。


该模式通过设计并制造全新代谢、结构及调控模式,创建新型光合系统,并且为生命科学基础研究提供全新研究材料及视角,从而检验当前生命科学的基本理论及假设;最终提高人类认识光合作用、利用光合作用的能力。


本次,生辉 SynBio 邀请到了西湖大学生命科学学院的李小波博士,与我们分享他在开发光合生物遗传学与合成生物学研究工具方面的探索与成果。


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图丨李小波(来源:受访者提供)


李小波于 2007 年本科毕业于西安交通大学,之后前往密歇根州立大学攻读植物学博士学位,正式开启了藻类相关研究。彼时,藻类能源正是热门研究领域,随着研究的深入,李小波对科研产生了浓厚的兴趣,原本计划毕业后直接进入生物技术公司的他选择继续深造。


2012-2018 年,李小波先后在美国斯坦福卡内基研究所和普林斯顿大学(Martin Jonikas 实验室)从事博士后研究,结合自己在藻类上的研究经历与合作导师的酵母研究背景,把酵母里面一些比较先进的高通量遗传学手段引进到藻类研究当中。2018 年回国加入西湖大学生命科学学院组建叶绿体系统与合成生物学实验室。主要从事光合作用光反应与叶绿体代谢方面的研究工作。


不同藻类的优势与挑战


地球上的光合作用约一半由藻类进行。藻类构造简单,没有根、茎、叶的分化,多为单细胞、群体或多细胞的叶状体。部分藻类可以在几个小时内倍增生物量,显著快于一般的陆地植物。这也是藻类常被用作科学研究模式生物的重要原因之一。


藻类植物的种类繁多,目前已知有 3 万种左右。其按色素划分,可分为蓝藻、绿藻、褐藻、红藻等门类;按在水中的位置分布又可分为浮游藻类和底栖藻类。


李小波告诉生辉 SynBio,在科学研究中,每一种藻类的优势和挑战都是不同的。目前,其团队研究的藻类主要有三种,分别属于绿藻、硅藻和颗石藻


莱茵衣藻是李小波研究了十余年的物种。这种单细胞淡水绿藻,易于培养、生长速度快、遗传学背景清晰且容易转化,长期被用于光合作用与多种细胞生物学过程的研究,近年来也被用作油脂代谢和生物制氢的新兴模式物种。绿藻是在进化上最接近陆地农作物的藻类,它的生存策略也更容易应用借鉴到陆地农作物上。


李小波团队研究的另一种藻类是硅藻,具体是硅藻中的角褐指藻。硅藻被认为是海洋里对光合作用贡献最大的一个真核类群,这种藻类进化出了含有四层膜的叶绿体(绿藻与陆地植物为两层)。


“硅藻先天具有捕光优势,在绿光波段,绿藻和陆地植物对阳光的吸收比较有限,但是硅藻却可以捕捉到部分绿光”,李小波介绍道,“我们可以利用遗传操作技术将硅藻中特殊的捕光天线蛋白与色素转移到绿藻中去,以此来提高绿藻的光合作用效率,从而在一定条件下,增加绿藻的产量,进一步也可能应用到农作物上去。”


综合来看,对于基因挖掘来说,莱茵衣藻目前更容易操作,而硅藻则在捕光研究方面有优势。


“莱茵衣藻是单倍体,每个基因只有一个拷贝,一旦基因被破坏,功能也会相应失去;硅藻一般在营养生长阶段是二倍体,大部分基因有两个有功能的拷贝,如破坏一个拷贝,另外一个还可以发挥功能,效果就不是很明显。” 李小波进一步解释道。


莱茵衣藻还可以做随机插入突变。据李小波介绍,其团队可以在两周时间以内获得 10 万个突变体,再通过一到两周时间利用自动化设备对 10 万个突变体进行挑取、整理,即在一个月左右的时间里得到一个基本覆盖全基因组的突变库,进行筛选之后,就能够明确各个基因相对应的功能。


2019 年李小波以第一作者身份在 Nature Genetics 发表了题为 A genome-wide algal mutant library and functional screen identifies genes required for eukaryotic photosynthesis 的研究论文。该研究利用多种自动化技术和高通量的测序技术建立了一个大规模的莱茵衣藻突变体库,并通过筛选发现了光合作用所需的 300 多个候选基因。


李小波团队对三角褐指藻中的 CRISPR 技术进行了一定的优化,目前可以比较顺利地得到大部分待测试基因的突变体。若在硅藻里面做全基因组筛选,需要通过 CRISPR 技术将三角褐指藻的两个拷贝全部破坏,但这种技术需要 CRISPR 的工作效率很高,目前在三角褐指藻当中还无法达到这种效率。


除了莱茵衣藻和硅藻外,李小波团队也已经开始对颗石藻的研究。


在颗石藻中,该团队研究的具体种类是赫氏圆石藻(Ehux)。颗石藻的技术相对以上两种藻类,要更落后一些,此前一直不能进行遗传转化,即外源的 DNA 无法在其中表达。目前中国集美大学的刘静雯教授已经报道了一种转化技术。李小波团队正在对集美大学、厦门大学以及一些藻种库提供的几株赫氏圆石藻进行试验,期待能在其中一株里建立各种遗传学与合成生物学工具。


李小波告诉生辉 SynBio,选择颗石藻作为研究对象,部分原因是由于它产生无机规则细胞壁的生物学机制十分有趣,另外,这种藻类有两种固碳机制,机制一是像其他藻类一样进行光合固碳,机制二是它可以利用二氧化碳产生碳酸钙外壳,虽然这是从无机碳到无机碳的转化过程;第二种机制也同时消耗了水分当中的钙离子,可以在含钙废水处理中发挥作用。


四个研究项目


由莱茵衣藻、三角褐指藻和赫氏圆石藻三种真核藻类,以及较容易进行遗传操作的原核蓝藻,该团队也衍生了相关而又分别有不同侧重点的四个研究项目。


李小波则和生辉 SynBio 首先聊了其中聚焦于光合作用光反应的两个方向 ——“环境胁迫对能量代谢的影响” 和 “海洋藻类的捕光色素研究”。


李小波团队主要在莱茵衣藻中研究环境胁迫对能量代谢的影响。在缺氮、低温等胁迫条件下,陆地植物和藻类积累油脂,但是同时会变黄并降低光合作用的光反应。该团队的目标是,明确这些胁迫反应的信号通路,以及如何通过合成生物学改造最大化胁迫条件下光合生物的产量。在 2019 年的 Nature Genetics 文章中,李小波开发了基于混池测序的突变体筛选技术。然而这种技术仅适用于少数表型,例如生长速率的分析。在西湖大学,李小波团队应用了基于阵列的筛选技术,可在一块琼脂平板上同时对 384 个突变体的多个表型进行成像分析,目前已经发现了多个光合作用的调控蛋白。


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图丨藻类的生长与光合能力等表型分析(来源:李小波实验室博士生曹度、王玉龙、于文清)


海洋藻类的捕光色素研究则是以硅藻作为研究对象。由于蓝绿光在海水中的穿透能力强,多种海洋藻类进化出了捕捉绿光的能力以更好地适应环境。



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图丨李小波实验室科研助理郭康宁随西湖大学科考团队赴马里亚纳海沟进行藻类采样(来源:摄影师汪宏保)

“我们现在做三角褐指藻比较多,主要是因为其色素背景、色素和蛋白如何组成复合体及复合体的结构已经清晰。” 当前研究已经表明,硅藻的岩藻黄素是它吸收绿光的一种主要色素。

据李小波透露,团队已经发现岩藻黄素合成的两个基因,鉴定了两个中间产物的化学结构,阐明了岩藻黄素合成的最后两步。他也表示,团队目标是了解硅藻吸收绿光的复合体的形成路径,然后设法将其转到绿色植物当中。通过改造植物,拓宽它们的吸收光谱,从而能够吸收利用更多绿光。

为了响应国家 “碳达峰” 和 “碳中和” 的号召,李小波目前以颗石藻为研究对象,探索其在工业除碳减污方面的应用可能。


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图丨赫氏圆石藻固碳示意图(来源:李小波实验室助理研究员曹天骏、博士生尤婷婷)

与该研究同样处于起步阶段的还有另一项研究 —— 异养生命向自养生命的改造。

你能想象动物像植物一样能够进行光合作用吗?有证据表明自然界中海蛞蝓等神奇的动物可以。一般认为海蛞蝓吞食消化真核藻类,但是保留藻类的叶绿体用于光合产能,虽然它们无法增殖这些叶绿体以传到下一代。人为的异养向自养的改造目前还没有报道。合成生物学为这一假设的转化提供了可行路径。

在这个由基金委原创探索基金支持的项目中,李小波团队首先考虑了三种构建人工光合生命的途径:在动物细胞中从头构建光合作用结构与功能;植物或真核藻类的叶绿体往动物细胞中的注射转移;动物与植物细胞融合。但是由于第一种手段挑战巨大,第二种手段转移的叶绿体无法自主增殖,第三种手段产生的细胞在基因保留方面可重复性差等原因,该团队最终选择了第四种研究思路:把蓝藻放到动物细胞里面,通过合成生物学方法建立一个稳定的内共生个体,打造能够稳定进行光合作用的哺乳动物细胞。

而针对为何选择哺乳动物细胞进行改造,李小波说道,异养生命向光合自养生命的改造,理论上,酵母菌可能比哺乳动物细胞更容易操作,一方面是它生长快,另一方面是它的免疫机制可能比哺乳动物细胞要简单一些,可能更容易接受蓝藻内共生体。但哺乳动物细胞的一些功能更为复杂,牵涉多个基因,如果我们需要结合哺乳动物细胞功能与光合能力的人工细胞系,很难通过转基因改造藻类细胞来实现;另外,具有光合能力的哺乳动物细胞应用意义也很明确。

未来该研究将有两个重要应用方向,一个是应用于免疫治疗方面,另外一个是应用于动物蛋白(如人造肉)的生产中。

例如,在肿瘤治疗中,实体瘤的局部氧气缺乏,会让癌细胞产生更高的抵抗电离辐射能力,这是放疗失败的主因之一。浙江大学医学附属第二医院 / 转化医学研究院周民团队与孙毅团队合作,将藻类细胞用动物细胞的细胞膜包起来,送到组织里边进行产氧,改善了肿瘤的低氧环境,肿瘤放射治疗效果有所提升。相关论文已发表在 Science Advances 上。稳定维持蓝藻内共生体的治疗用细胞系则无需细胞膜包被操作,可以在人体环境中存活并产氧。

利用光合哺乳动物产肉或产奶(下图)听起来很有吸引力,然而,即使人类可以实现这一目标,由于大型动物的比表面积小,光合作用能提供的能量难以满足日常代谢的需求。利用具有光合作用能力的细胞系生产培养肉时无需以糖为原料,则理论上能够降低成本和碳足迹,同时也能够避免植物蛋白肉口感差别大的问题。




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图丨李小波团队博士生张静宇想象并绘制的光合奶牛



合成生物学将进一步激发藻类的应用潜力


藻类的常见用途包括做动物饲料、人类食品,生产生物燃料、萜类等化合物,或者用于二氧化碳减排、污染治理等等。实际上,藻类的应用更为广泛。

作为基础生物学领域的模式生物,目前藻类有一些特殊的光受体已经在神经科学领域得到了应用,并促进了光遗传学的开创。

光遗传学作为一种利用光来研究神经细胞的新型技术,可以依靠对藻类的研究,持续地从藻类中获得新的光遗传学工具。藻类中发现的光敏感通道蛋白等是光高度敏感的光接收器,能够迅速对光做出响应。

在生物医学领域的应用。传统的分类学中,真核藻类被划分为植物。实际上,除了绿藻门、轮藻门等少数门类,其他藻类跟常见的植物差别较大。甚至绿藻中也有不同于种子植物而与动物细胞接近的特点,被广泛用来研究鞭毛(纤毛)的功能。此外,藻类可以用来生产疫苗和药物,还可应用于药物递送。

而以陆地植物为底盘的合成生物学将进一步拓宽藻类的应用方向。上文提到的李小波团队做的硅藻捕光色素研究就是为了将来应用于植物捕光光谱拓宽的目的。另外,他也举例说明了藻类研究在植物固碳方面的应用潜力。

“固碳的关键蛋白叫做 RuBisCO 蛋白,常见的 C3 植物例如小麦、水稻,没有碳浓缩机制,RuBisCO 分散在叶绿体中;而蓝藻里面有羧化体结构,真核藻类里面有蛋白核结构,能够将 RuBisCO 聚集成一种叫做蛋白核的团状结构,并通过一些碳转运机制提高蛋白核中的局部二氧化碳浓度,一方面提高了底物浓度,另一方面降低了其与氧气结合的副反应即光呼吸,从而增强对二氧化碳的吸收利用。目前国际上有多支队伍在蓝藻与真核藻类中探索羧化体与蛋白核的形成所需的因子,并已经在拟南芥、烟草等底盘生物中开展了这两种结构的适配重构。” 李小波解释道。

“最终我们要改造植物,还需要革命性的合成生物学工具。目前,我们表达少数基因不成问题,但有时转入新的机制时,需要表达几十个或者上百个基因,就需要借助合成生物学工具。现在有专家在开发人工染色体技术,如果成功的话将会有很大的应用。”

采访最后,李小波告诉生辉 SynBio,藻类从上游的生物学研究,到合成生物学改造,再到生命周期分析,整个流程非常复杂。我们实验室主要做基础前沿研究,重点是去探索在未来可能有重要应用,而现在研究比较缺乏的一些方向,同时也与具有互不同专长的多个国内外团队开展了合作。


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