新发现：蓝藻通过光合作用可产生油

来源：iPlants

在动植物和某些细菌中发现的包括三酰基甘油或蜡酯在内的储存脂质的存在，但在蓝细菌中仍然不清楚。2020年，PNAS杂志在线发表了来自德国波恩大学Peter Dörmann课题组题为“Triacylglycerol and phytyl ester synthesis in Synechocystis sp. PCC6803”的研究论文。

该研究揭示了在蓝藻PCC6803中能够产生甘油三酯和蜡酯，并鉴定了蓝细菌中负责三酰基甘油合成的基因slr2103，开辟了使用原核光合细胞产油的可能性。

甘油三酯（TAG）是许多生物中最重要的存储脂质。许多木本植物的果实是油品的重要来源，长期以来一直被人类用作油脂的生产者。但是，借助光从水和二氧化碳中产生油的能力，对于所有植物而言，基本上都是共有的。然而到目前为止，科学家一直认为蓝藻缺乏这种特性。

油以脂滴形式储存在植物，动物和真菌的细胞质中。除了储存在细胞质中的脂滴中，植物叶绿体的质体球滴结构（Plastoglobules, PG）还会积聚非极性脂质。在拟南芥叶绿体的胁迫或衰老过程中，大部分的植醇和脂肪酸会转化为脂肪酸植醇酯和三酰甘油。而该课题组在2012年发现，叶绿体中ELT家族的两个酰基转移酶（PES1，PES2）参与了叶绿体中脂肪酸植酸酯的合成（Plant Cell，2012）。

根据共生细菌理论，植物叶绿体从一个古老的蓝藻经由内共生衍生，这表明叶绿体的许多分子和结构特性是蓝藻来源。那么蓝细菌中是否也具有TAG合成的途径？

该研究在各种蓝细菌的基因组中，基于与拟南芥的PES1/PES2的序列相似性，成功在蓝藻中鉴定了用于合成TAG的候选酰基转移酶slr2103。进一步的测试表明，即使只是少量，蓝细菌实际上也确实会利用这种酶产生油脂。因此该结果表明植物叶绿体中油的合成机制的某些部分可能源自蓝细菌。尽管现植物主要利用其他代谢途径来生产油。

此外，该研究产生了突变体Δslr2103，该突变体没有明显的生长缺陷。但是对插入突变体的分析表明，酰基转移酶slr2103的突变对于三酰基甘油和植酸酯合成至关重要（如下图）。体外重组slr2103酶显示出与植醇和二酰基甘油的酰基转移酶活性，从而产生植酸酯和三酰基甘油。slr2103蛋白序列与细菌或植物的酰基转移酶无关，这是一个独立的细菌酰基转移酶家族，参与三酰基甘油和蜡酯的合成。

因此，该研究鉴定蓝细菌中负责三酰基甘油合成的基因slr2103，开辟了在生物技术应用中使用原核光合细胞生成油的可能性。与产油的植物不同，蓝细菌不需要耕地，只需装在含有培养基的容器以及足够的光和热中就足以满足它们的需求。此外，尽管其生产油的能力仍然有限，但是蓝藻可以相对容易地进行基因修饰。之后通过基因编辑等手段可能大大提高石油产量。