北京易科泰生態(tài)技術有限公司
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MC1000 8通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)，是由8個100ml藻類培養(yǎng)試管、水浴控溫系統(tǒng)、多色LEDs光源控制系統(tǒng)及光密度和溶解氧（選配）在線監(jiān)測系統(tǒng)等組成的專業(yè)藻類培養(yǎng)設備，可用于藻類培養(yǎng)與控制實驗、梯度對比實驗等，適于碳同化研究、水體生態(tài)毒理學研究檢測、藻類生理生態(tài)研究、水生態(tài)研究等。
案例一：通過遺傳和環(huán)境協(xié)同擾動手段獲得耐高溫高光藍藻突變體
光合作用是地球上最重要的生化過程之一，但高光和高溫（HLHT）脅迫會損害光合作用的效率。提高光自養(yǎng)生物對HLHT的耐受性對于農業(yè)和其他依賴光合作用的經濟活動至關重要。然而目前獲得耐HLHT光自養(yǎng)生物費時費力，其潛在的分子機制也暫不明確。
在中國科學院青島生物能源與過程研究所的一項研究中，開發(fā)了一套高突變系統(tǒng)，通過基因遺傳保真元件敲除、誘變元件表達的策略，結合高溫高光培養(yǎng)，將藍藻的突變率提高了三個數量級。利用這個高突變系統(tǒng)，研究人員快速獲得了HLHT耐受能力顯著提高的突變藻株，并揭示了影響藍藻HLHT耐受能力的關鍵靶點與功能機制。
其中，高突變系統(tǒng)的高溫高光環(huán)境，即為MC1000多通道藻類培養(yǎng)與在線監(jiān)測系統(tǒng)提供，研究中使用MC1000設置不同的溫度光強條件給聚球藻施加環(huán)境壓力，觸發(fā)聚球藻高突變狀態(tài)。另外，藻的預培養(yǎng)、相對突變率評估、分離出的突變藻株培養(yǎng)、耐高溫高光評估等，也均在MC1000中設定相應培養(yǎng)條件進行。易科泰為中科院能源所提供了多套不同配置的MC1000，這些設備也在為研究人員的多種實驗不斷工作著。
圖1：利用高突變系統(tǒng)分離耐HLHT突變藻株的流程
圖2：在高溫（從30°C到38°C）和光強（從400到1000 μmol光子/m2/s）升高的條件下，聚囊藻中莽草酸激酶基因（sll1669）過表達對細胞生長的影響。OE為NC2突變更耐HLHT的藻株，WT為野生型
案例二：輻照度和無機碳利用率對長柄聚球菌PCC 7942異源蔗糖產量的影響
蔗糖是生物乙醇的重要原料，也是許多高附加值化學品的有前景的基石。植物是蔗糖的主要來源，但由于耕地和水資源利用倫理問題等原因，尋找另一種蔗糖來源以替代植物十分必要。藍藻細菌已被認為是一種潛在的碳水化合物原料，多種物種已被成功地設計為分泌蔗糖，但不同模式物種之間，蔗糖生產力存在相當大的差異。本研究案例中，對不同的實驗室設備和生長條件（特別是光照、CO2和培養(yǎng)器類型）如何影響藍藻的蔗糖生產進行了系統(tǒng)的評估。
其中，便利用MC1000進行了藍藻光耐受性和蔗糖生產力評估，所使用的藍藻為蔗糖滲透酶 (cscB)和蔗糖磷酸合酶（sps）表達的特定藻株S. elongatus。實驗中，將培養(yǎng)溫度設定為32℃，通3％CO2氣體，分別用150,250,500,1000,2000μmol/m2/s光強（冷白光）培養(yǎng)，在0,24h,48h,72h分別檢測藻液的OD750及蔗糖含量。
結果可知，野生型（WT）和不生產蔗糖的藻株（non-exporting cscB/sps）OD750在幾個光強下均可以達到2.2，而S. elongatus的OD750則較低，這是因為它將固定的碳更多的用來生產蔗糖，導致其細胞生長受限，生物量下降。用于藍藻培養(yǎng)的輻照度與蔗糖生產力之間存在直接關系，500μmol/m2/s時達到最大，而當光強超過這個閾值，其蔗糖產量則開始下降。
但在進一步的實驗中，將藻株的初始接種濃度提高，使用2000及2500μmol/m2/s光強培養(yǎng)，其蔗糖產量則有所上升，高光強度被S. elongatus耐受，特別是在高密度培養(yǎng)下，可能是其濁度減弱了培養(yǎng)物中透過的有效光照。正是MC1000高光強、多通道的配置為實驗提供了培養(yǎng)和檢測條件。
圖3：不同培養(yǎng)條件下培養(yǎng)液的OD750
案例二：碳通量調節(jié)蛋白pirC對工程藍藻乙醇生產的影響
由于人類活動導致的大氣中CO2濃度上升是全球氣候變化的主要因素之一。為了減少對化石碳源的依賴，需要尋找可持續(xù)的CO2利用過程，如利用光合自養(yǎng)微生物（例如藍藻）碳同化途徑進行生物質的生成。藍藻作為可持續(xù)生物經濟的有前景的工程底盤，但目前菌株通常生產力較低，工業(yè)應用受限。通過基因工程改造藍細菌，可以提高其生產乙醇等有價值產品的效率，從而為可持續(xù)能源生產提供新的可能性。
本研究案例使用了改造后的藍藻Synechocystis sp. PCC 6803，該藍藻通過表達來自Zymomonas mobilis的丙酮酸脫羧酶（PDC）和來自Synechocystis sp. PCC 6803的乙醇脫氫酶（ADH）來產生乙醇。通過敲除調節(jié)蛋白pirC的基因，在不同的氮或碳條件下培養(yǎng)藻株，并分析乙醇產量，研究pirC對乙醇產量的影響。
乙醇生產實驗在MC1000中進行，培養(yǎng)過程中使用MC1000連續(xù)自動測量720nm光密度（OD720），并在第0、3、5和7天采樣手動測定OD720。培養(yǎng)過程中，排出的氣體流入收集瓶，量化了培養(yǎng)容器造成的揮發(fā)性乙醇的損失。在培養(yǎng)物的第3、5、7天提取乙醇定量樣品。第7天進行代謝物定量。
圖4 藻株培養(yǎng)及乙醇檢測流程
結果發(fā)現(xiàn)，藻株生長速率和乙醇產量之間存在明顯的相關性。經過之后更多實驗證明，pirC的突變在氮耗竭條件下對乙醇生產有積極影響。乙醇產量的增加伴隨著丙酮酸水平的升高和糖原水平的降低，表明pirC的缺失確實增加了碳向較低糖酵解途徑的分配。
參考文獻：
[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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