Umwandlung von Kohlendioxid in Biokraftstoffe durch Mikroalgen
Wissenschaftler erforschen genetischen Sensor für blaues Licht zur Verdoppelung der Ölproduktivität in industriellen Mikroalgen
Mikroalgen, Algen, die man mit bloßem Auge nicht sehen kann, absorbieren Kohlendioxid und produzieren Öle, die als Biokraftstoffe verwendet werden können. Diese Biokraftstoffe, die kohlenstoffnegativ sein können, sind eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen fossilen Kraftstoffen. Die biologischen Prozesse, die es diesen Mikroalgen ermöglichen, Öle zu produzieren, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden.
Die BLIO-Technologie erforscht einen "genetischen Schalter" zur Erschließung der Ölproduktion in Mikroalgen
LIU Yang and ZHANG Peng
Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. XU Jian vom Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einen genetischen Sensor für blaues Licht entdeckt, der die Ölsynthese in einer industriellen Mikroalge steuert, und diese Entdeckung genutzt, um die Produktivität der Mikroalgen bei der Ölproduktion zu verdoppeln.
Sie schlugen eine neue Technologie namens Blue-Light Induced Oil Synthesis (BLIO) vor, die für die Umwandlung von Kohlendioxid in Biokraftstoffe durch Mikroalgen von großer Bedeutung ist. Ihre Ergebnisse wurden am 29. März in Nature Communications veröffentlicht .
Bei den ölproduzierenden Algen, den so genannten ölhaltigen Mikroalgen, führen Umweltbelastungen wie Nährstoffmangel, starker Lichteinfall oder Hitze in der Regel dazu, dass sich das Öl ansammelt. Bei diesen Ölen mit hoher Energiedichte handelt es sich um Triacylglycerine (TAGs), Vorstufen für Biodiesel. Mikroalgen sind aufgrund ihres schnellen Wachstums und ihres hohen Ölgehalts ein vielversprechendes Ausgangsmaterial für die TAG-Produktion.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass die Ölproduktion Teil der Reaktion von Mikroalgenzellen auf Umweltbelastungen ist, aber es ist schwierig, dieses Wissen für eine höhere Ölproduktivität zu nutzen, da sie nicht genau wissen, wie der Prozess funktioniert.
Das QIBEBT-Forschungsteam sucht seit langem nach einer besseren Möglichkeit, die Ölproduktion in Mikroalgen zu stimulieren. "Neue Umweltreize, die eine effiziente und präzise Kontrolle des zellulären TAG-Aufbaus ermöglichen, ohne die Biomasseproduktivität zu beeinträchtigen, sind äußerst wünschenswert", sagte ZHANG Peng, Postdoktorand am Single-Cell Center des QIBEBT.
Das Team untersucht seit über einem Jahrzehnt die industrielle ölhaltige Mikroalge Nannochloropsis oceanica, eine marine Mikroalgenart, die aus Meerwasser und CO2 hochwertige Öle produzieren kann.
Ihre lange Suche nach einem neuen Stimulus, den sie für die Ölproduktion genauer steuern können, führte sie schließlich zu blauem Licht. Das Forscherteam entdeckte einen bisher unbekannten "BlueLight-NobZIP77-NoDGAT2B"-Stoffwechselweg.
Wenn Nährstoffe wie Stickstoff im Überfluss vorhanden sind, schaltet ein auf blaues Licht reagierender Regulator namens NobZIP77 die TAG-Produktion in der Mikroalge ab, indem er die Expression von ölproduzierenden Enzymen wie NoDGAT2B hemmt. "Wenn jedoch Stickstoff fehlt, wird das Chlorophyll a, das normalerweise blaues Licht absorbiert, reduziert, was dazu führt, dass mehr blaues Licht in den Zellkern gelangt, in dem sich NobZIP77 befindet. Die erhöhte Exposition von NobZIP77 gegenüber blauem Licht setzt seine hemmende Wirkung auf TAG-synthetische Enzyme frei und bringt NoDGAT2B dazu, mehr TAGs zu produzieren". ZHANG Peng erklärte.
"Ein solch präziser Mechanismus, der die Lichtsensorik mit der TAG-Synthese verbindet, war bisher nicht bekannt und ist daher sehr aufregend", fügte XIN Yi, ein außerordentlicher Professor am Single-Cell Center, hinzu.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse erfand das Team die BLIO-Technologie, bei der die von NobZIP77 befreite Mikroalge zunächst mit weißem und dann mit blauem Licht bestrahlt wird. Dies führt zu einer Spitzenproduktivität von TAG, die doppelt so hoch ist wie die der unveränderten Mikroalge unter konstantem weißen Licht.
"Die Lichtqualität ist ein äußerst wünschenswertes Kontrollinstrument. Unsere Entdeckung in dieser Studie weist daher in eine neue Richtung bei der Entwicklung von Rohstoffen, dem Design von Photobioreaktoren oder der Steuerung von Bioprozessen", sagte XU Jian, Leiter des Single-Cell Center und Hauptautor der Studie.
Die Forscher glauben, dass dieser genetische Mechanismus in Mikroalgen und höheren Pflanzen weit verbreitet ist, und stellen sich eine Zukunft vor, in der die BLIO-Technologie und ihre Varianten zu Umständen beitragen, in denen eine hocheffiziente Umwandlung von CO2 in Öle oder andere Makromoleküle erforderlich ist.
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