2025年6月7日，深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院胡章立講席教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊Bioresource Technology（中科院一區(qū)TOP，IF9.7）發(fā)表題為“Expressing exogenous gene in Chlamydomonas reinhardtiichloroplast with viral replication elements”的研究論文。該研究在萊茵衣藻葉綠體中成功構(gòu)建一種基于病毒復(fù)制元件的外源基因高效表達(dá)平臺(tái)。
萊茵衣藻是單細(xì)胞真核微藻，具有生長(zhǎng)繁殖快、光合效率高、兼性營(yíng)養(yǎng)及可食性等優(yōu)良性狀，是微藻蛋白質(zhì)、功能脂質(zhì)、類(lèi)胡蘿卜素及萜類(lèi)化合物等的重要資源。2019年2月被美國(guó)食品和藥物管理局認(rèn)定為“公認(rèn)安全”（GRAS Notice No. 773）食物資源。2022年5月被中華人民共和國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)正式批準(zhǔn)作為新食品原料。
作為最具潛力的光合細(xì)胞工廠，目前萊茵衣藻葉綠體合成生物學(xué)平臺(tái)受限于葉綠體基因組外源基因表達(dá)水平及同質(zhì)化篩選的技術(shù)難題。為了解決這一瓶頸問(wèn)題，本研究利用甜菜卷曲頂部病毒的復(fù)制元件Rep蛋白及（vor）序列，開(kāi)發(fā)了一套萊茵衣藻葉綠體的附加體外源基因表達(dá)系統(tǒng)（圖1）。
圖1 萊茵衣藻葉綠體附加體系統(tǒng)模式圖
該研究通過(guò)在萊茵衣藻核基因組中表達(dá)Rep蛋白，構(gòu)建了附加體遺傳系統(tǒng)的底盤(pán)藻株，并利用mVenus熒光蛋白對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)萊茵衣藻葉綠體基因組同源重組方法更高效的外源基因表達(dá)水平（圖2）。
圖2 葉綠體附加體系統(tǒng)的驗(yàn)證與比較
該系統(tǒng)利用附加體遺傳系統(tǒng)表達(dá)crtz和crtw基因，使萊茵衣藻細(xì)胞的玉米黃質(zhì)和角黃素等高價(jià)值類(lèi)胡蘿卜素含量明顯增加（圖3），說(shuō)明基于病毒復(fù)制元件構(gòu)建的萊茵衣藻葉綠體附加體系統(tǒng)在合成生物制造中具有重要的應(yīng)用前景。
圖3 葉綠體附加體系統(tǒng)應(yīng)用-高價(jià)值產(chǎn)物類(lèi)胡蘿卜素生物合成
圖4 轉(zhuǎn)基因藻株的生長(zhǎng)和光合性能
該研究進(jìn)一步探究了病毒衍生的復(fù)制元件在萊茵衣藻中是否表現(xiàn)出毒性問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)病毒復(fù)制元件并未影響萊茵衣藻的生長(zhǎng)、生物量積累和光合作用特性（圖4），這表明病毒衍生的復(fù)制元件與作為宿主的萊茵衣藻細(xì)胞具有良好生物相容性。
該研究相關(guān)成果已于2022年11月申報(bào)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利“一種萊茵衣藻葉綠體中附加體質(zhì)粒的構(gòu)建方法及其應(yīng)用（202211501386.5）”和PCT國(guó)際專(zhuān)利（PCT/CN2022/138084）。
深圳大學(xué)生命與海洋科學(xué)學(xué)院2023級(jí)博士研究生江亞男為該論文第一作者，胡章立為該論文通訊作者。課題組副教授賈彬、張桂英博士、王松博士、Ali Raza博士、吳莎博士、郭春立博士、碩士研究生劉想、劉穎頎和羅繼旭為論文主要合作者，深圳大學(xué)為論文第一完成單位。深圳大學(xué)龍華生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院、韓山師范學(xué)院廣東省粵東藥食資源功能物質(zhì)與治未病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、四川大學(xué)考古學(xué)研究中心、東南大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與景觀建筑學(xué)院等為合作完成單位。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32273118）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2018YFA0902500）、深圳市可持續(xù)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（KCXFZ20211020164013021）、深圳市發(fā)展和改革委員會(huì)基金項(xiàng)目（XMHT20220104019）、深圳大學(xué)合成生物學(xué)研究中心和深圳大學(xué)2035卓越科研計(jì)劃項(xiàng)目（2022B010）等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.132784
