تقویت تولید لیپید با استفاده از روشهای طراحی عوامل بیوشیمیایی و ژنتیکی و همانندسازی Enhancement of lipid production using biochemical, genetic and transcription factor engineering approaches
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2009
توضیحات
رشته های مرتبط: زیست شناسی، میکروبیولوژی،ژنتیک، علوم سلولی و مولکولی
این مقاله سه روش احتمالی برای تقویت تولید بیش از حد لیپید در microalgae صورت می‌گیرد. روشهای مهندسی، رویکردهای مهندسی بیوشیمیایی (GE) در رویکردهای مهندسی (طراحی) فاکتور همانندسازی (TFE) از موارد آن می‌باشد. روش BE بر مبنای ایجاد یک تنش بیولوژیکی مثل محرومیت از مواد غذایی یا شوری زیاد یا جریان متابولیک کانال برای تجمع لیپیدی می‌باشد. آنزیم‌های محدود کننده سرعت (مقدار) تا یک کانال متابولیکی برای بیوسنتز لیپید بوسیله بروز بیش از حد یک یا چند آنزیم اصلی در نژادهای microalgal ترکیب مجدد ایجاد کند. روش TEEیک روش در حال ظهور است که هدف آن تقویت تولید متابولیت ویژه‌ای بوسیله بروز بیش از حد TFS است. مسیر متابولیک در تجمع متابولیت‌های هدف را امکان‌پذیر می‌کند. اخیرا روشهای BE ثابت شده‌ترین روش‌ها در تولید لیپید microalgal می‌باشند. TFE یک روش خیلی قابل قبول است چون از اثرات بازدارنده روشهای BE و محدود کردن موانع ثانویه که در روشهای GE مشاهده می‌شود جلوگیری می‌کند. به هر حال هنوز مفهوم جدیدی است که نیاز به ارزیابی سیستماتیکی دارد. ۱- بیودیزل یکی از تضمین شده‌ترین سوخت‌های تجدیدپذیر حمل و نقلی است که موفقیت زیادی سرتاسر دنیا بدست آورده است. طبق گزارش بانک جهانی (۲۰۰۸)، ۵/۶ میلیارد لیتر بیودیزل در سال ۲۰۰۶ سرتاسر دنیا تولید شده است و ۷۵٪ آن توسط اتحادیه اروپا و ۱۳٪ آن توسط امریکا بوده است. مشارکت کنونی بیودیزل در تولید سوخت حمل و نقل جهانی فقط ۱۴/۰ درصد است و روشهای مطلوبی از کشورهای اصلی دنیا انتظار می‌رود که این مشارکت را تا سال ۲۰۲۰ تا ۵ برابر افزایش دهند بنابراین پیش‌بینی می‌شود که تقاضای گسترده جهانی درباره انرژی تجدیدشونده به رشد سریع خود با این وجود افزایش قیمت غذا سرتاسر دنیا، آگاهی عمومی و نگرانی‌هایی درباره رقابت برای منابع کشاورزی بین صنعت غذا و بخش انرژی را افزایش داده است. توسعه و راه حل‌های پایدار و مقرون به صرفه برای محصولات جنگلی و کشاورزی سنتی برای نیاز ضروی برای تولید پایه از زیست سوخت می‌باشد. میکروجلبک های سرشار از چربی منبع خوبی از لیپیدها برای تولید بیودیزل می‌باشند. به نظر می‌رسد که شک اندکی وجود دارد که میکروجلبک‌های در حال رشد سریع بتوانند زیست سوخت‌های مجدد پذیر کافی برای جایگزین کردن سوخت‌های فسیلی حمل و نقلی ارائه کند. یک روش یکپارچه برای تقویت مقرون به صرفه بودن اقتصادی و پایداری محیطی آن با ترکیب مزیت‌های تولید زیست سوخت و کاهش CO2 و مزیت حرارتی ضایعات (زباله) و بازیافت فاضلاب و تولید زیستی جدید با استفاده از فرآیندهای کشت میکروجلبک صورت گرفته است. با این وجود چالش‌های قابل توجهی در مورد مسائل اقتصادی تولید بیودیزل میکروجلبک وجود دارد و بررسی‌های زیادی برای غلبه بر این چالش‌های صورت گرفته است و دیدگاه آبی تولید بیش از حد لیپید با استفاده از میکروجلبک با روشهای مختلفی صورت گرفته که شامل روشهای BE و GE و TFE می‌باشد. ۲- روشهای مهندسی بیوشیمی: روش BE به روشی از تقویت تولید میکروجلبک با کنترل مو شرایط غذایی و کشت (مثل دما و PH و شوری) اشاره دارد تا مسیری به سوی جریان متابولیک تولید شده در فتوسنتز در بیوسنتز لیپید ارائه کند. محرومیت از مواد غذایی متداولترین روش بکار رفته برای هدایت جریان متابولیک به بیوسنتز لیپید میکروجلبک می‌باشد. از این نظر، میکروجلبک دما لیپیدها را به عنوان ابزاری برای ذخیره تحت شرایط محدودیت مواد غذایی وقتی که منبع انرژی (یعنی نور) و منبع کربن (یعنی CO2) به وفور در دسترس باشد و زمانی که مکانیسم‌های سلولی برای فتوسنتز فعال باشد تجمع می‌دهند. در حالی که تعدادی از مواد غذایی مثل فسفر و کمبود آهن به گزارش شده که باعث توقف رشد سلولی می‌شود و جریان کانال متابولیک به بیوسنتز اسید چرب لیپید می‌رسد و نیتروژن تعداد کمترین عامل محدودکننده تحریک تجمع لیپید در میکروجلبک می‌باشد. محرومیت از نیتروژن هم باعث یک تجمع لیپید در تعدادی از گونه‌های میکروجلبک می‌شود. برای مثال Chlorella معمولا نشاسته را به عنوان ماده سنج تجمع می‌دهد. به هر حال IIImax گزارش کرده که C.emersoni، C.minvolsion و C.vulgaris و C.pyrenodase می‌توانند لیپیدهای تا ۶۴ و ۵۷ و ۴۰ و ۲۳٪ مبنای وزن خشک سلول خود را در محیط کم نیتروژن تجمع دهند. Nechloris oleaburis تحت شرایط کمبود نیتروژن گزارش شده که قادر است ۵۴-۳۵٪ لیپیدهای وزن خشک سلول را تجمع دهد و TAGs آن دارای ۸۰٪ مجموع لیپیدها می‌باشد. مشاهده شده که TAGS در سلولهای Nannochlorissp تجمع می‌یابد که می‌تواند ۲/۲ برابر در سلول‌ها در کشت‌های دارای نیتروژن کافی باشد. بررسی‌های ما نشان داد که نیترات سدیم، مطلوبترین منبع نیتروژن برای رشد سلول و تولید N.ateabandans بین سه ترکیب بررسی شده دارای نیتروژن یعنی نیترات سدیم و اوره و بیوکربنات آمونیوم می‌باشد. مشاهده شده که با افزایش نیترات سدیم در محیط در محدوده nm20-3 محتوای سلول لیپید کاهش می‌یابد. این روند که تجمع منبع نیتروژن کمتر در محیط باعث محتوای سلول لیپید بیشتر می‌شود به طور فرضی با توجه به این حقیقت قابل توضیح است که وقتی که غلظت منبع نیتروژن اولیه محیط کم باشد، نیتروژن در چگالی کم سلول اولیه خارج می‌شود. در نتیجه وقتی که نور نفوذ خوبی دارد (تراکم سلولی کم است) تجمع لیپید در سلول شروع می‌شود و وقتی که سلولهای جدا در معرض مقادیر زیادی انرژی نور باشند باعث جریان متابولیک می‌شود از فسفر سنتز ایجاد شده و باعث تجمع لیپید در یک مبنایی زشت توده می‌شود. محدودیت فسفات هم باعث تقویت تجمع لیپیدی Monodussobterranevs می‌شود. با کاهش دسترسی فسفات از ۱۷۵ و ۵/۵۲، و ۵/۱۷ و Mm0 (K2HPO4) مجموع محتوای لیپیدی سلولهای محروم شده افزایش می‌یابد که بویژه به افزایش قابل توجه در سطوح TAG ارتباط می‌یابد. در غیاب فسفات، نسبت فسفر لیپید از ۳/۸٪ تا ۴/۱٪ کل لیپید کاهش می‌یابد و نسبت TAG از ۵/۶٪ تا ۴/۳۹٪کل لیپید افزایش می‌یابد. به علاوه کمبود یون هم گزارش شده که تجمع لیپید در میکروجلبک Cllorells vulgaris را تقویت می‌کند که تا ۵/۵۶٪ لیپید زیست توده با وزن خشک تحت شرایط بهینه (mol fecu35-10×۲/۱) تجمع می‌یابد. علاوه بر محرومیت موادغذایی شرایط تنش دیگری هم باعث تقویت تجمع لیپیدها در میکروجلبک می‌شود. برای مثال Takagi مشاهده کرد که محتوای TAG در Donaliclla که یک جلبک دریایی است تحت شرایط شوری زیاد افزایش می‌یابد. شرایط در تحقیق نشان می‌دهد که یک غلظت Nacl اولیه بالاتر از m5/1 مانع رشد سلولی می‌شود. به هر حال وقتی غلظت Nacl اولیه از ۵/۰ به m1 افزایش یابد باعث افزایش محتوای لیپید بین سلولی m5/0 می‌شود. افزودن ۵/۰ تا Naclm1 در فاز mid-kg یا انتهای فاز log طی بقرداشت غلظت Nacl اولیه M1 و غلظت محتوای لیپیدی ۷۰٪ است. یک عیب روش BE محرومیت از مواد غذایی یا تنش فیزیولوژیکی است که برای تجمع محتوای لیپید زیاد در سلول‌ها با توجه به کاهش تقسیم سلولی موردنیاز است چون لیپیدها محصولات بین سلولی می‌باشند. تولید لیپید به طور کلی، محصول محتوای لیپید سلولی ضرب در تکثیر زیست توده می‌باشد. تولید کلی لیپید/ انرژی بنابراین با توجه به کاهش تولید زیست توده تحت تأثیر قرار می‌گیرد. برای مثال Seragg هم بازیافت انرژی C.vvlgaris و C.emersonii را که در محیط Watanbe و محیط کم نیتروژن رشد کرده بود بررسی کرد. نتایج نشان داد که محیط کم نیتروژن اگر چه تجمع لیپید زیادی در جلبک دارای سلوح کالری زیاد را القا می‌کرد و بازیابی کل انرژی هم در محیط کم نیتروژن بهتر از محیط watanab بود. بررسی‌ها نشان داد که در محدوده بررسی شده نیترات سدیم nm20-3، اگر چه بالاترین محتوای لیپید سلولی ۴۰٪ در کمترین غلظت نیترات سدیم mM3 بدست آمد، ماکسیمم تولید لیپید در mm5 بدست آمد. یک برآورد متداول استفاده از روش کشت دو مرحله‌ای می‌باشد که مرحله اول برای رشد / تقسیم سلول در محیط دارای مواد غذایی کافی می‌باشد و مرحله دوم برای تجمع لیپید تحت شرایط کمبود موادغذایی با تنش های فیزیولوژیکی دیگر می‌باشد. در واقع یک محیط خوب فرمول‌بندی شده مثل محیطی که گروه ما در بررسی قبلی ارائه کردند تولید لیپید دو مرحله‌ای ایجاد می‌کند که سلول‌ها به طور طبیعی قادرند تا قبل از تخلیه زیر لایه محدود (که در این مورد نیتروژن است) به سرعت رشد کنند و سپس به تجمع لیپید تحت شرایط محرومیت از نیتروژن تغییر می‌کند. به علاوه یک فتوبیوالکتوریالیسم کشت میکروجلبک پیوند آزاد نشان داده که به طور بالقوه برای راه حل مهندسی متناسب است که متناسب روش دو مرحله‌ای با فتوبیوالکترواست که به ماده تلقیحی سرشار از مواد غذایی که ساخته شده و پیوندهای آن دو با تجمع لیپید کم چربی اختصاص می‌یابد. قابل ذکر است که بکارگیری محیط که دارای موادغذایی کم در پیوندهای آزاد برای تجمع لیپید کنترل آلودگی مناسب نیست اما دوستدار محیط است. با این وجود کمبود این موادغذایی می‌تواند فتوسنتز سلولهای میکروجلبک را به روشی کاهش دهد که باعث کاهش کلی تولید لیپید می‌شود. بسیاری از منابع محدود که به طور متداول به کار رفته موارد ضروری فتوسنتز میکروجلبک وجود دارد و کاهش آن جریان متابولیک برای تولید لیپید ایجاد می‌کند. برای مثال در بررسی ما مشاهده شده که میکروفیل رنگدانه ضروری دستیابی به نور در بیوسنتز جلبک سبز N.oleoabrndais می‌باشد. در زمانی که نیتروژن از محیط خارج می‌شود برای رشد سلول کاربرد دارد که باعث کاهش شدید محتوای سلول کلروفیل می‌گردد. فتوسنتز هم به مقدار پروتئین زیادی نیاز دارد و پروتئین‌ها با ریبوزوم‌های سرشار از فسفر سنتز می‌شوند. در نتیجه تغییر جریان متابولیک به بیوسنتز لیپید بوسیله محرومیت از فسفات، تأثیر جدی بر فتوسنتز دارد. ظاهرا مشکلی در روش BE وجود دارد یعنی دلیل اصطکاک تجمع لیپید در سلول‌ها را تحریک می‌کند باعث کاهش رشد سلولی شدید و فتوسنتز و در نتیجه کاهش کلی تولید لیپید می‌شود. این مشکل احتمالا با بکارگیری روشهای مهندسی متابولیک با هدف تقویت جریان متابولیک در بیوسنتز سیر امکان‌پذیر است بدون آن که تنش‌های فیزیولوژیکی بیان شده را بکار بریم.
این مقاله سه روش احتمالی برای تقویت تولید بیش از حد لیپید در microalgae صورت می‌گیرد. روشهای مهندسی، رویکردهای مهندسی بیوشیمیایی (GE) در رویکردهای مهندسی (طراحی) فاکتور همانندسازی (TFE) از موارد آن می‌باشد. روش BE بر مبنای ایجاد یک تنش بیولوژیکی مثل محرومیت از مواد غذایی یا شوری زیاد یا جریان متابولیک کانال برای تجمع لیپیدی می‌باشد. آنزیم‌های محدود کننده سرعت (مقدار) تا یک کانال متابولیکی برای بیوسنتز لیپید بوسیله بروز بیش از حد یک یا چند آنزیم اصلی در نژادهای microalgal ترکیب مجدد ایجاد کند. روش TEEیک روش در حال ظهور است که هدف آن تقویت تولید متابولیت ویژه‌ای بوسیله بروز بیش از حد TFS است. مسیر متابولیک در تجمع متابولیت‌های هدف را امکان‌پذیر می‌کند. اخیرا روشهای BE ثابت شده‌ترین روش‌ها در تولید لیپید microalgal می‌باشند. TFE یک روش خیلی قابل قبول است چون از اثرات بازدارنده روشهای BE و محدود کردن موانع ثانویه که در روشهای GE مشاهده می‌شود جلوگیری می‌کند. به هر حال هنوز مفهوم جدیدی است که نیاز به ارزیابی سیستماتیکی دارد. ۱- بیودیزل یکی از تضمین شده‌ترین سوخت‌های تجدیدپذیر حمل و نقلی است که موفقیت زیادی سرتاسر دنیا بدست آورده است. طبق گزارش بانک جهانی (۲۰۰۸)، ۵/۶ میلیارد لیتر بیودیزل در سال ۲۰۰۶ سرتاسر دنیا تولید شده است و ۷۵٪ آن توسط اتحادیه اروپا و ۱۳٪ آن توسط امریکا بوده است. مشارکت کنونی بیودیزل در تولید سوخت حمل و نقل جهانی فقط ۱۴/۰ درصد است و روشهای مطلوبی از کشورهای اصلی دنیا انتظار می‌رود که این مشارکت را تا سال ۲۰۲۰ تا ۵ برابر افزایش دهند بنابراین پیش‌بینی می‌شود که تقاضای گسترده جهانی درباره انرژی تجدیدشونده به رشد سریع خود با این وجود افزایش قیمت غذا سرتاسر دنیا، آگاهی عمومی و نگرانی‌هایی درباره رقابت برای منابع کشاورزی بین صنعت غذا و بخش انرژی را افزایش داده است. توسعه و راه حل‌های پایدار و مقرون به صرفه برای محصولات جنگلی و کشاورزی سنتی برای نیاز ضروی برای تولید پایه از زیست سوخت می‌باشد. میکروجلبک های سرشار از چربی منبع خوبی از لیپیدها برای تولید بیودیزل می‌باشند. به نظر می‌رسد که شک اندکی وجود دارد که میکروجلبک‌های در حال رشد سریع بتوانند زیست سوخت‌های مجدد پذیر کافی برای جایگزین کردن سوخت‌های فسیلی حمل و نقلی ارائه کند. یک روش یکپارچه برای تقویت مقرون به صرفه بودن اقتصادی و پایداری محیطی آن با ترکیب مزیت‌های تولید زیست سوخت و کاهش CO2 و مزیت حرارتی ضایعات (زباله) و بازیافت فاضلاب و تولید زیستی جدید با استفاده از فرآیندهای کشت میکروجلبک صورت گرفته است. با این وجود چالش‌های قابل توجهی در مورد مسائل اقتصادی تولید بیودیزل میکروجلبک وجود دارد و بررسی‌های زیادی برای غلبه بر این چالش‌های صورت گرفته است و دیدگاه آبی تولید بیش از حد لیپید با استفاده از میکروجلبک با روشهای مختلفی صورت گرفته که شامل روشهای BE و GE و TFE می‌باشد. ۲- روشهای مهندسی بیوشیمی: روش BE به روشی از تقویت تولید میکروجلبک با کنترل مو شرایط غذایی و کشت (مثل دما و PH و شوری) اشاره دارد تا مسیری به سوی جریان متابولیک تولید شده در فتوسنتز در بیوسنتز لیپید ارائه کند. محرومیت از مواد غذایی متداولترین روش بکار رفته برای هدایت جریان متابولیک به بیوسنتز لیپید میکروجلبک می‌باشد. از این نظر، میکروجلبک دما لیپیدها را به عنوان ابزاری برای ذخیره تحت شرایط محدودیت مواد غذایی وقتی که منبع انرژی (یعنی نور) و منبع کربن (یعنی CO2) به وفور در دسترس باشد و زمانی که مکانیسم‌های سلولی برای فتوسنتز فعال باشد تجمع می‌دهند. در حالی که تعدادی از مواد غذایی مثل فسفر و کمبود آهن به گزارش شده که باعث توقف رشد سلولی می‌شود و جریان کانال متابولیک به بیوسنتز اسید چرب لیپید می‌رسد و نیتروژن تعداد کمترین عامل محدودکننده تحریک تجمع لیپید در میکروجلبک می‌باشد. محرومیت از نیتروژن هم باعث یک تجمع لیپید در تعدادی از گونه‌های میکروجلبک می‌شود. برای مثال Chlorella معمولا نشاسته را به عنوان ماده سنج تجمع می‌دهد. به هر حال IIImax گزارش کرده که C.emersoni، C.minvolsion و C.vulgaris و C.pyrenodase می‌توانند لیپیدهای تا ۶۴ و ۵۷ و ۴۰ و ۲۳٪ مبنای وزن خشک سلول خود را در محیط کم نیتروژن تجمع دهند. Nechloris oleaburis تحت شرایط کمبود نیتروژن گزارش شده که قادر است ۵۴-۳۵٪ لیپیدهای وزن خشک سلول را تجمع دهد و TAGs آن دارای ۸۰٪ مجموع لیپیدها می‌باشد. مشاهده شده که TAGS در سلولهای Nannochlorissp تجمع می‌یابد که می‌تواند ۲/۲ برابر در سلول‌ها در کشت‌های دارای نیتروژن کافی باشد. بررسی‌های ما نشان داد که نیترات سدیم، مطلوبترین منبع نیتروژن برای رشد سلول و تولید N.ateabandans بین سه ترکیب بررسی شده دارای نیتروژن یعنی نیترات سدیم و اوره و بیوکربنات آمونیوم می‌باشد. مشاهده شده که با افزایش نیترات سدیم در محیط در محدوده nm20-3 محتوای سلول لیپید کاهش می‌یابد. این روند که تجمع منبع نیتروژن کمتر در محیط باعث محتوای سلول لیپید بیشتر می‌شود به طور فرضی با توجه به این حقیقت قابل توضیح است که وقتی که غلظت منبع نیتروژن اولیه محیط کم باشد، نیتروژن در چگالی کم سلول اولیه خارج می‌شود. در نتیجه وقتی که نور نفوذ خوبی دارد (تراکم سلولی کم است) تجمع لیپید در سلول شروع می‌شود و وقتی که سلولهای جدا در معرض مقادیر زیادی انرژی نور باشند باعث جریان متابولیک می‌شود از فسفر سنتز ایجاد شده و باعث تجمع لیپید در یک مبنایی زشت توده می‌شود. محدودیت فسفات هم باعث تقویت تجمع لیپیدی Monodussobterranevs می‌شود. با کاهش دسترسی فسفات از ۱۷۵ و ۵/۵۲، و ۵/۱۷ و Mm0 (K2HPO4) مجموع محتوای لیپیدی سلولهای محروم شده افزایش می‌یابد که بویژه به افزایش قابل توجه در سطوح TAG ارتباط می‌یابد. در غیاب فسفات، نسبت فسفر لیپید از ۳/۸٪ تا ۴/۱٪ کل لیپید کاهش می‌یابد و نسبت TAG از ۵/۶٪ تا ۴/۳۹٪کل لیپید افزایش می‌یابد. به علاوه کمبود یون هم گزارش شده که تجمع لیپید در میکروجلبک Cllorells vulgaris را تقویت می‌کند که تا ۵/۵۶٪ لیپید زیست توده با وزن خشک تحت شرایط بهینه (mol fecu35-10×۲/۱) تجمع می‌یابد. علاوه بر محرومیت موادغذایی شرایط تنش دیگری هم باعث تقویت تجمع لیپیدها در میکروجلبک می‌شود. برای مثال Takagi مشاهده کرد که محتوای TAG در Donaliclla که یک جلبک دریایی است تحت شرایط شوری زیاد افزایش می‌یابد. شرایط در تحقیق نشان می‌دهد که یک غلظت Nacl اولیه بالاتر از m5/1 مانع رشد سلولی می‌شود. به هر حال وقتی غلظت Nacl اولیه از ۵/۰ به m1 افزایش یابد باعث افزایش محتوای لیپید بین سلولی m5/0 می‌شود. افزودن ۵/۰ تا Naclm1 در فاز mid-kg یا انتهای فاز log طی بقرداشت غلظت Nacl اولیه M1 و غلظت محتوای لیپیدی ۷۰٪ است. یک عیب روش BE محرومیت از مواد غذایی یا تنش فیزیولوژیکی است که برای تجمع محتوای لیپید زیاد در سلول‌ها با توجه به کاهش تقسیم سلولی موردنیاز است چون لیپیدها محصولات بین سلولی می‌باشند. تولید لیپید به طور کلی، محصول محتوای لیپید سلولی ضرب در تکثیر زیست توده می‌باشد. تولید کلی لیپید/ انرژی بنابراین با توجه به کاهش تولید زیست توده تحت تأثیر قرار می‌گیرد. برای مثال Seragg هم بازیافت انرژی C.vvlgaris و C.emersonii را که در محیط Watanbe و محیط کم نیتروژن رشد کرده بود بررسی کرد. نتایج نشان داد که محیط کم نیتروژن اگر چه تجمع لیپید زیادی در جلبک دارای سلوح کالری زیاد را القا می‌کرد و بازیابی کل انرژی هم در محیط کم نیتروژن بهتر از محیط watanab بود. بررسی‌ها نشان داد که در محدوده بررسی شده نیترات سدیم nm20-3، اگر چه بالاترین محتوای لیپید سلولی ۴۰٪ در کمترین غلظت نیترات سدیم mM3 بدست آمد، ماکسیمم تولید لیپید در mm5 بدست آمد. یک برآورد متداول استفاده از روش کشت دو مرحله‌ای می‌باشد که مرحله اول برای رشد / تقسیم سلول در محیط دارای مواد غذایی کافی می‌باشد و مرحله دوم برای تجمع لیپید تحت شرایط کمبود موادغذایی با تنش های فیزیولوژیکی دیگر می‌باشد. در واقع یک محیط خوب فرمول‌بندی شده مثل محیطی که گروه ما در بررسی قبلی ارائه کردند تولید لیپید دو مرحله‌ای ایجاد می‌کند که سلول‌ها به طور طبیعی قادرند تا قبل از تخلیه زیر لایه محدود (که در این مورد نیتروژن است) به سرعت رشد کنند و سپس به تجمع لیپید تحت شرایط محرومیت از نیتروژن تغییر می‌کند. به علاوه یک فتوبیوالکتوریالیسم کشت میکروجلبک پیوند آزاد نشان داده که به طور بالقوه برای راه حل مهندسی متناسب است که متناسب روش دو مرحله‌ای با فتوبیوالکترواست که به ماده تلقیحی سرشار از مواد غذایی که ساخته شده و پیوندهای آن دو با تجمع لیپید کم چربی اختصاص می‌یابد. قابل ذکر است که بکارگیری محیط که دارای موادغذایی کم در پیوندهای آزاد برای تجمع لیپید کنترل آلودگی مناسب نیست اما دوستدار محیط است. با این وجود کمبود این موادغذایی می‌تواند فتوسنتز سلولهای میکروجلبک را به روشی کاهش دهد که باعث کاهش کلی تولید لیپید می‌شود. بسیاری از منابع محدود که به طور متداول به کار رفته موارد ضروری فتوسنتز میکروجلبک وجود دارد و کاهش آن جریان متابولیک برای تولید لیپید ایجاد می‌کند. برای مثال در بررسی ما مشاهده شده که میکروفیل رنگدانه ضروری دستیابی به نور در بیوسنتز جلبک سبز N.oleoabrndais می‌باشد. در زمانی که نیتروژن از محیط خارج می‌شود برای رشد سلول کاربرد دارد که باعث کاهش شدید محتوای سلول کلروفیل می‌گردد. فتوسنتز هم به مقدار پروتئین زیادی نیاز دارد و پروتئین‌ها با ریبوزوم‌های سرشار از فسفر سنتز می‌شوند. در نتیجه تغییر جریان متابولیک به بیوسنتز لیپید بوسیله محرومیت از فسفات، تأثیر جدی بر فتوسنتز دارد. ظاهرا مشکلی در روش BE وجود دارد یعنی دلیل اصطکاک تجمع لیپید در سلول‌ها را تحریک می‌کند باعث کاهش رشد سلولی شدید و فتوسنتز و در نتیجه کاهش کلی تولید لیپید می‌شود. این مشکل احتمالا با بکارگیری روشهای مهندسی متابولیک با هدف تقویت جریان متابولیک در بیوسنتز سیر امکان‌پذیر است بدون آن که تنش‌های فیزیولوژیکی بیان شده را بکار بریم.
Description
This paper compares three possible strategies for enhanced lipid overproduction in microalgae: the biochemical engineering (BE) approaches, the genetic engineering (GE) approaches, and the transcription factor engineering (TFE) approaches. The BE strategy relies on creating a physiological stress such as nutrient-starvation or high salinity to channel metabolic fluxes to lipid accumulation. The GE strategy exploits our understanding to the lipid metabolic pathway, especially the rate-limiting enzymes, to create a channelling of metabolites to lipid biosynthesis by overexpressing one or more key enzymes in recombinant microalgal strains. The TFE strategy is an emerging technology aiming at enhancing the production of a particular metabolite by means of overexpressing TFs regulating the metabolic pathways involved in the accumulation of target metabolites. Currently, BE approaches are the most established in microalgal lipid production. The TFE is a very promising strategy because it may avoid the inhibitive effects of the BE approaches and the limitation of “secondary bottlenecks” as commonly observed in the GE approaches. However, it is still a novel concept to be investigated systematically.
