【文献速递】南昌大学刘进团队开发海洋微藻合成生物学模块化工具包

01 导读

02 文章亮点

03 核心内容

建立微绿球藻MoClo工具箱标准规范

研究团队借鉴了植物合成生物学的语法规范，建立了一套包含91个标准化遗传元件的MoClo工具箱。这些零件按照功能分为启动子（P）、终止子（T）、筛选标记（SM）、信号肽（SP）、报告基因（RG）和免疫纯化标签（Tag）等类别，分布于标准化框架的不同位置，支持灵活的模块化组装（图1，表1）。通过标准化的组装流程，从 Level 0 部件到 Level 1 模块，再到包含多个表达盒的 Level 2 载体。

图1.微拟球藻模块化遗传元件示意图

表1.微拟球藻MoClo工具包中的遗传部件

核心元件的功能验证与性能评价

筛选标记与启动子-终止子配对评估：研究评估了多种抗生素抗性基因（如Ble, Hyg）在不同启动子-终止子组合下的表达效率。发现源自核糖体亚基的PRIBI启动子与热休克蛋白终止子THS的组合驱动效率显著更高（图2）。进一步使用NanoLuc荧光素酶报告系统评估发现，启动子的活性受其配对终止子的显著影响，为后续元件选择提供了重要指导（图3）。

图2.抗生素抗性基因的模块化组装与测试 

图3.不同启动子-终止子组合驱动报告基因表达的评估

荧光蛋白与亚细胞定位：工具包成功实现了增强型绿色荧光蛋白、黄色荧光蛋白及高光稳定性变体StayGold在藻细胞中的表达。通过融合不同的信号肽（如叶绿体转运肽CTP、核定位序列NLS），实现了蛋白在叶绿体、细胞核等特定细胞器内的精准定位，并展示了多色共定位的应用潜力（图4）。

图4.靶向不同细胞器的荧光蛋白模块化组装与测试

多融合标签用于免疫检测：研究验证了HA、6×His、Flag、Myc和StrepII五种常用表位标签在Nannochloropsis中的功能。通过构建携带不同标签的eGFP融合蛋白，证实这些标签均可用于目标蛋白的特异性免疫检测，其中HA标签信号最强（图5）。

图5.标签蛋白构建体的组装与免疫印迹测试

应用：高效构建酮类胡萝卜素合成途径

为展示工具包在代谢工程中的应用潜力，研究团队模块化组装了酮类胡萝卜素（角黄素和虾青素）的生物合成途径并导入微拟球藻。工程藻株成功积累了显著含量的角黄素（4.5 mg/g干重）和虾青素（2.8 mg/g干重）（图6）。此外，研究还发现角黄素能够整合到类囊体膜中，并可能为藻细胞提供高光保护。转录组分析表明，外源酮类胡萝卜素的积累对内源胡萝卜素合成途径的转录水平影响较小（图7）。

图6.酮类胡萝卜素生物合成模块在微拟球藻中的组装与测试

图7.参与类胡萝卜素合成途径的基因转录变化

04 作者简介