[중국] 미세 조류로 오일을 개발하는 메커니즘 연구

중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정 연구소 `단일 세포 연구센터` 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 분자 수준의 미세 조류로 오일을 생산하는 과정에 대한 운동 상태 법칙을 연구하는 분야에서 혁신적인 성과를 달성하여 이슈가 되고 있다. 관련 연구 성과는 지난 4월 1일 Plant Cell 학술지에 온라인으로 발표되었다(Li, et al, Plant Cell, 2014). 

연구팀은 관련 연구를 통해 마이크로 유사 구(球) 조류를 연구 모델로 선정하여 미세 조류의 높은 오일 생산성 형태의 유전 기초와 진화 법칙에 대한 연구를 실행하였다(Wang, et al, PLoS Genetics, 2014). 하지만 분자 수준에서의 미세 조류가 효율적으로 트리글리 세라이드(Triglycerides)(조류 오일)를 합성하는 과정은 구체적으로 어떻게 발생되는지에 대한 핵심 과제에 대해서는 줄곧 계통적인 실험 증거를 취득하지 못한 상황이다. 

고 정밀도의 전사체(Transcriptome) 및 리피도믹스(Lipidomics) 분석 수단을 이용하여 연구팀은 미국 애리조나 주립 대학(Arizona State University) 한단샹(韓丹翔) 박사와 공동 연구를 실행하여 마이크로 유사 구(球) 조류가 질소 결핍 유도(Nitrogen deficiency induced)를 통해 오일을 생산하는 과정에서 3시간~48시간 기간의 6개 다른 시간 점에서 전사체와 리피도믹스의 운동 상태 변화 법칙을 관찰하였으며 세계 최초로 야생 오일 조류로 오일을 생산하는 과정의 운동 상태 모델을 구축하였다. 

질소가 결핍할 때 조류 세포 속 TAG 함유량이 대폭 증가되고 막 지방 함유량이 감소된다. 연구팀은 이번 연구를 통해 전사 수준에서 해당 과정(Glycolysis), PDHC와 PDHC 우회로(Bypass), 미토콘드리아(Mitochondria)에 위치한 구연산(citric acid) 사이클과 산화 등 루트 상에서 관련 유전자 및 특정 단백질 수송의 전사 수준이 인상(Increase)되어 탄소 흐름이 탄수화물, 단백질 및 막 지방 대사를 통해 글리세 라이드(Glycerides) 합성을 추진한다는 점을 발견하였다. 

TAG 조립 루트 중에서 엽록체, 미토콘드리아 및 세포질 등 다른 세포 기관에 위치한 7개 DGAT 유전자는 질소가 결핍할 때 전사 수준에서 인상되고 업스트림(Upstream)의 기타 인상 유전자와 같이 대량의 TGA 합성을 추진하게 된다. 연구팀은 이번 연구를 통해 미세 조류 준세포(Subcellular) 수준의 시간과 공간 상에서 그리스(Grease) 합성 대사라는 이중 조정 제어 메커니즘을 해석하여 높은 오일 생산량을 위한 유전자 공정 육종(育種)을 위한 중요한 이론 기반과 혁신적인 연구 아이디어를 제시하였다. 

연구팀은 이런 최초의 `분자 수준 미세 조류로 오일을 생산하는 운동 상태 모델`을 이용하여 마이크로 유사 구(球) 조류 등 높은 오일 생산량을 보유한 야생 조류와 낮은 오일 생산량을 보유한 녹조류(Chlamydomonas reinhardtii) 등 그리스(Grease) 합성 전체 국면 전사 조정 제어 방식 상에서의 차별을 해석하였다. 

그 중, 마이크로 유사 구(球) 조류 등 높은 오일 생산량을 보유한 야생 조류는 Type I 지방산 합성 효소 유전자인 동시에 DGAT 유전자(촉매 트리글리 세라이드(Catalytic Triglycerides) 합성의 마지막 단계) 전사물(Transcript)의 절대 풍부 정도는 낮은 오일 생산량을 보유한 녹조류에 비해 2배나 더 높은 것으로 나타났다. 

때문에 마이크로 유사 구(球) 조류 등 높은 오일 생산량을 보유한 야생 조류의 DGAT 유전자 수량(13개)이 기존의 조류와 식물 유전자 중에서 제일 많은 것으로 나타났다. 동시에 질소 결핍 및 질소가 결핍하지 않은 조건 하에서 모두 대량의 DGAT 전사물을 축적하여 그리스의 대량 누적을 효율적으로 지원하고 있는 것으로 나타났다. 

이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 `중대 국제 협력 프로젝트` 비용. 국가과학기술부의 `중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)` 비용, 중국과학원의 `혁신 연구팀 국제 협력 프로젝트` 비용 지원을 받아 추진되었다. 

이번 연구는 중국과학원 칭다오(靑島) 바이오 에너지 및 과정 연구소 `단일 세포 연구센터`의 쉬젠(徐健) 연구원 연구팀이 중국과학원 수생(水生) 생물 연구소 `미세 조류 생물기술 및 바이오 에너지 연구개발 센터` 후창(胡强) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하여 완성한 연구에 속한다. 

연구팀의 관련 논문 정보는 다음과 같다. Li, J., Han, D., Wang, D., Ning, K., Jia, J., Wei, L., Jing, X., Huang, S., Chen, J., Li, Y., Hu, Q., Xu, J. (2014). Choreography of Transcriptomes and Lipidomes of Nannochloropsis Reveals the Mechanisms of Oil Synthesis in Microalgae, Plant Cell 10.1105/tpc.113.121418． 

自然界中的一些微藻因产油量高、生长速度快、环境适应性强，并可在边际土地上用海水或废水培养，被视作一种重要的新型能源作物，但目前对其高产油的代谢和调控机制尚不清楚。近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞研究中心领导的研究团队率先揭示了分子水平的微藻产油过程动态规律。相关成果于4月1日在线发表于Plant Cell （Li, et al, Plant Cell, 2014）。
 

该团队在前期研究中，以微拟球藻为研究模式，揭示了微藻高产油性状的遗传基础和进化规律（Wang, et al,PLoS Genetics, 2014）。但是，分子水平上微藻高效合成甘油三酯（即藻油）这一过程究竟是如何发生的呢？该核心问题一直缺乏系统性实验证据的支持。
  

通过运用高精度的转录组学和脂类组学分析手段，青岛能源所单细胞研究中心博士研究生李敬、王冬梅博士、宁康博士和美国亚利桑那州立大学韩丹翔博士等考察了微拟球藻缺氮诱导产油过程中从3小时到48小时的六个不同时间点下转录组和脂类代谢组的动态变化规律，在国际上率先构建了野生油藻产油过程动态模型。在氮源缺乏时，藻细胞中TAG含量大幅度提高，膜脂含量下降。在转录水平上，糖酵解、PDHC和PDHC旁路、位于线粒体的三羧酸循环和氧化等途径上的相关基因以及特定转运蛋白的转录水平上调，推动碳流由碳水化合物、蛋白及膜脂代谢途径流向甘油酯合成。在TAG组装途径中，位于叶绿体、线粒体和胞质等不同细胞器的7个DGAT基因，在缺氮时转录水平上调，和上游其他上调基因一起，促进大量TAG的合成。该研究阐明的微藻亚细胞水平时间和空间上油脂合成代谢的这一双重调控机制，为高产油藻的基因工程育种提供了重要的理论基础和崭新的研究思路。
  
这一首个分子水平的微藻产油动态模型还进一步揭示了微拟球藻等野生高产油藻与低产油的莱茵衣藻等在油脂合成全局转录调控方式上的区别。其中，前者具有一型（Type I）脂肪酸合成酶基因，同时其DGAT基因（催化甘油三酯合成的最后一步）转录本的绝对丰度比后者多出两倍。因此前者不仅在DGAT基因的数目（13个）上是目前已知藻类和植物基因组中最多的，而且在缺氮和不缺氮条件下均储备了大量的DGAT转录本，从而高效支撑油脂的大量积累。  

该研究获得了基金委重大国际合作项目、科技部“973”和中科院创新团队国际合作伙伴计划等支持，由中科院青岛能源所单细胞研究中心研究员徐健与中科院水生生物所微藻生物技术与生物能源研发中心研究员胡强共同主持完成。

论文信息：Li, J., Han, D., Wang, D., Ning, K., Jia, J., Wei, L., Jing, X., Huang, S., Chen, J.,Li, Y., Hu, Q., Xu, J. (2014). Choreography of Transcriptomes and Lipidomes of Nannochloropsis Reveals the Mechanisms of Oil Synthesis in Microalgae, Plant Cell 10.1105/tpc.113.121418．

　  原文链接

 

微拟球藻在缺氮条件下的产油过程。图中均为一个微拟球藻细胞，时间代表开始缺氮诱导后的天数，绿颜色是用Bodipy染料染色的中性脂（其中绝大部分为甘油三酯）。