Синий свет повышает выработку жиров микроводорослями

Триацилглицериды (ТАГ), или жиры, обладают высокой энергетической плотностью. Благодаря этому они играют роль универсального энергетического хранилища клетки. В биоэнергетике эти соединения служат прекурсором для биодизельного топлива. Хороший источник ТАГ — микроводоросли, однако метаболические аспекты их синтеза плохо изучены. На данный момент для запуска интенсивного липидогенеза используют стрессовые условия, например, отсутствие азота. Однако этот метод неудобен из-за сложных способов контроля содержания азота и подавления роста биомассы в условиях стресса.

Исследователи из Китайской академии наук детально проанализировали регуляцию липидогенеза в микроводоросли Nannochloropsis oceanica. Они задались целью найти способы увеличить выход ТАГ без потери в биомассе.

Авторы проанализировали научную литературу и обнаружили ген g77. Его экспрессия подавлялась при недостатке азота. В то же время наличие транскрипта g77 приводило к активации экспрессии генов, ответственных за разложение жиров, и подавлению генов, ответственных за синтез новых липидов. Таким образом, ученые пришли к выводу, что g77 — это супрессор синтеза ТАГ, который деактивируется в стрессовых условиях.

Исследуемый ген кодировал белок с сигналом ядерной локализации, LOV-доменом и лейциновой застежкой. Известно, что последний мотив может служить для связывания с ДНК. Исследователи назвали белок NobZIP77. Они проанализировали клетки с избыточной экспрессией NobZIP77 и его нокдауном. Оказалось, что NobZIP77 — транскрипционный фактор, который подавляет индуцируемый недостатком азота биосинтез ТАГ.

Затем с помощью биоинформатических инструментов ученые определили целевые гены белка NobZIP77. Их оказалось всего семь, но все они так или иначе были связаны с липидным обменом. Примечательно, что уровень экспрессии одного из этих генов колебался со временем и был полностью противоположным уровню экспрессии белка NobZIP77. Это был ген NoDGAT2B, который кодирует диглицерид-ацилтрансферазу. Ученые показали, что NobZIP77 связывается с промоторной областью гена NoDGAT2B и снижает его транскрипцию.

Исследователи решили выяснить, какое влияние оказывает LOV-домен на функционирование NobZIP77. Эта структура способна улавливать голубой свет. Ученые обнаружили, что под действием голубого света концентрация NobZIP77, необходимая для связывания промотора NoDGAT2B, увеличивается в два раза относительно водоросли под белым светом. Более того, под голубым светом увеличивалась экспрессия NoDGAT2B.

Ученые предложили механизм работы этой схемы. Они нашли, что NobZIP77 изначально локализован в ядре, которое окружено хлоропластами. В нормальных условиях хлоропласты не пропускают синий свет в ядро, однако в условиях нехватки азота их структура нарушается и голубое излучение достигает NobZIP77. Это снимает ингибирование гена NoDGAT2B и образующийся фермент диглицерид-ацилтрансфераза способствует синтезу ТАГ.

Наконец, авторы работы протестировали разные подходы, чтобы увеличить выработку жиров у водорослей: они изменяли свет (белый или синий), экспрессию гена NobZIP77, подачу азота и время выделения жиров.

При освещении синим светом у водорослей дикого типа даже в присутствии азота увеличивалось содержание ТАГ на 33,7% через 24 часа после начала эксперимента (по сравнению с белым светом). При недостатке азота этот показатель был еще выше — до 42,9% через 72 часа после начала эксперимента. При этом прирост биомассы не зависел от освещения.

При освещении белым светом у водорослей с нокаутом гена NobZIP77, которые росли в присутствии азота, содержание ТАГ повышалось на 225,7% спустя 264 часа. В отсутствие азота жиры вырабатывались так же, как у водорослей дикого типа.

Наконец, сочетание синего цвета и нокаута гена в водорослей дало прирост в выработке жиров на 98,4% спустя 144 часа в присутствии азота, и на 35,7% через 72 часа при недостатке азота.

Таким образом, ученые описали механизм, благодаря которому недостаток азота позволяет повышать выход ТАГ при наработке в микроводорослях. Кроме того, авторы работы предложили новый подход, чтобы стимулировать синтез триацилглицеридов: освещение синим светом повышает содержание жиров.