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    MC1000 8 通道藻类培养与在线监测系统应用案例

    发布时间: 2024-05-30  点击次数: 187次

    MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统,是由8100ml藻类培养试管、水浴控温系统、多色LEDs光源控制系统及光密度和溶解氧(选配)在线监测系统等组成的专业藻类培养设备,可用于藻类培养与控制实验、梯度对比实验等,适于碳同化研究、水体生态毒理学研究检测、藻类生理生态研究、水生态研究等。

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    案例一:通过遗传和环境协同扰动手段获得耐高温高光蓝突变体

    光合作用是地球上最重要的生化过程之一,但高光和高温(HLHT)胁迫会损害光合作用的效率。提高光自养生物对HLHT的耐受性对于农业和其他依赖光合作用的经济活动至关重要。然而目前获得耐HLHT光自养生物费费力,其潜在的分子机制也暂不明确。

    在中国科学院青岛生物能源与过程研究所的一项研究中开发了一套高突变系统,通过基因遗传保真元件敲除、诱变元件表达的策略,结合高温高光培养,将蓝藻的突变率提高了三个数量级。利用这个高突变系统,研究人员快速获得了HLHT耐受能力显著提高的突变藻株,并揭示影响蓝HLHT耐受能力的关键靶点与功能机制

    其中,高突变系统的高温高光环境,即为MC1000多通道藻类培养与在线监测系统提供,研究中使用MC1000设置不同的温度光强条件给聚球藻施加环境压力,触发聚球藻高突变状态。另外,藻的预培养、相对突变率评估、分离出的突变藻株培养、耐高温高光评估等,也均在MC1000中设定相应培养条件进行。易科泰为中科院能源所提供了多套不同配置的MC1000,这些设备也在为研究人员的多种实验不断工作着。

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    案例二:辐照度和无机碳利用率对长柄聚球菌PCC 7942异源蔗糖产量的影响

    蔗糖是生物乙醇的重要原料,也是许多高附加值化学品的有前景的基石植物是蔗糖的主要来源,但由于耕地和水资源利用伦理问题等原因,寻找另一种蔗糖来源以替代植物十分必要。蓝藻细菌已被认为是一种潜在的碳水化合物原料,多种物种已被成功地设计分泌,但不同模式物种之间,蔗糖生产力存在相当大的差异。研究案例中,不同的实验室设备和生长条件(特别是光照、CO2和培养器类型)如何影响蓝藻的蔗糖生产进行了系统评估

    其中,便利用MC1000进行了蓝藻光耐受性和蔗糖生产力评估,使用的蓝藻为蔗糖渗透酶 (cscB)和蔗糖磷酸合酶(sps)表达的特定藻株S. elongatus。实验中,将培养温度设定为32℃,通3CO2气体,分别用150,250,500,1000,2000μmol/m2/s光强(冷白光)培养,在0,24h,48h,72h分别检测藻液的OD750及蔗糖含量。

    结果可知,野生型(WT)和不生产蔗糖的藻株(non-exporting cscB/spsOD750在几个光强下均可以达到2.2,而S. elongatusOD750则较低,这是因为它将固定的碳更多的用来生产蔗糖,导致其细胞生长受限,生物量下降。用于蓝藻培养的辐照度与蔗糖生产力之间存在直接关系,500μmol/m2/s时达到最大,而当光强超过这个阈值,其蔗糖产量则开始下降。

    但在进一步的实验中,将藻株的初始接种浓度提高,使用20002500μmol/m2/s光强培养,其蔗糖产量则有所上升,高光强度被S. elongatus耐受,特别是在高密度培养下,可能是其浊度减弱培养物中透过的有效光照。正是MC1000高光强、多通道的配置为实验提供了培养和检测条件。

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    案例二:碳通量调节蛋白pirC对工程蓝藻乙醇生产的影响

    由于人类活动导致的大气中CO2浓度上升是全球气候变化的主要因素之一。为了减少对化石碳源的依赖,需要寻找可持续的CO2利用过程,如利用光合自养微生物(例如蓝碳同化途径进行生物质的生成。蓝藻作为可持续生物经济的有前景的工程底盘,但目前菌株通常生产力较低,工业应用受限。通过基因工程改造蓝细菌,可以提高其生产乙醇等有价值产品的效率,从而为可持续能源生产提供新的可能性。

    本研究案例使用了改造后的蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803,该蓝藻通过表达来自Zymomonas mobilis的丙酮酸脱羧酶(PDC)和来自Synechocystis sp. PCC 6803的乙醇脱氢酶(ADH)来产生乙醇。通过敲除调节蛋白pirC的基因,在不同的氮或碳条件下培养株,并分析乙醇产量研究pirC对乙醇产量的影响。

    乙醇生产实验在MC1000中进行,培养过程中使用MC1000连续自动测量720nm光密度(OD720),并在第0357天采样手动测定OD720。培养过程中,排出的气体流入收集瓶,量化了培养容器造成的挥发性乙醇的损失。在培养物的第357天提取乙醇定量样品。第7天进行代谢物定量。

     

    结果发现,藻株生长速率和乙醇产量之间存在明显的相关性。经过之后更多实验证明,pirC的突变在氮耗竭条件下对乙醇生产有积极影响。乙醇产量的增加伴随着丙酮酸水平的升高和糖原水平的降低,表明pirC的缺失确实增加了碳向较低糖酵解途径的分配。

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    参考文献:

    [1] Sun H, Luan G, Ma Y, et al. Engineered hypermutation adapts cyanobacterial photosynthesis to combined high light and high temperature stress[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 1238.

    [2] Yun L, Zegarac R, Ducat D C. Impact of irradiance and inorganic carbon availability on heterologous sucrose production in Synechococcus elongatus PCC 7942[J]. Frontiers in Plant Science, 2024, 15: 1378573.

    [3] Böhm J, Kauss K, Michl K, et al. Impact of the carbon flux regulator protein pirC on ethanol production in engineered cyanobacteria[J]. Frontiers in Microbiology, 2023, 14: 1238737.

     

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