MC1000 8 通道藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統應用案例

MC1000 8通道藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統，是由8個(gè)100ml藻類(lèi)培養試管、水浴控溫系統、多色LEDs光源控制系統及光密度和溶解氧（選配）在線(xiàn)監測系統等組成的專(zhuān)業(yè)藻類(lèi)培養設備，可用于藻類(lèi)培養與控制實(shí)驗、梯度對比實(shí)驗等，適于碳同化研究、水體生態(tài)毒理學(xué)研究檢測、藻類(lèi)生理生態(tài)研究、水生態(tài)研究等。

案例一：通過(guò)遺傳和環(huán)境協(xié)同擾動(dòng)手段獲得耐高溫高光藍藻突變體

光合作用是地球上最重要的生化過(guò)程之一，但高光和高溫（HLHT）脅迫會(huì )損害光合作用的效率。提高光自養生物對HLHT的耐受性對于農業(yè)和其他依賴(lài)光合作用的經(jīng)濟活動(dòng)至關(guān)重要。然而目前獲得耐HLHT光自養生物費時(shí)費力，其潛在的分子機制也暫不明確。

在中國科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所的一項研究中，開(kāi)發(fā)了一套高突變系統，通過(guò)基因遺傳保真元件敲除、誘變元件表達的策略，結合高溫高光培養，將藍藻的突變率提高了三個(gè)數量級。利用這個(gè)高突變系統，研究人員快速獲得了HLHT耐受能力顯著(zhù)提高的突變藻株，并揭示了影響藍藻HLHT耐受能力的關(guān)鍵靶點(diǎn)與功能機制。

其中，高突變系統的高溫高光環(huán)境，即為MC1000多通道藻類(lèi)培養與在線(xiàn)監測系統提供，研究中使用MC1000設置不同的溫度光強條件給聚球藻施加環(huán)境壓力，觸發(fā)聚球藻高突變狀態(tài)。另外，藻的預培養、相對突變率評估、分離出的突變藻株培養、耐高溫高光評估等，也均在MC1000中設定相應培養條件進(jìn)行。易科泰為中科院能源所提供了多套不同配置的MC1000，這些設備也在為研究人員的多種實(shí)驗不斷工作著(zhù)。

案例二：輻照度和無(wú)機碳利用率對長(cháng)柄聚球菌PCC 7942異源蔗糖產(chǎn)量的影響

蔗糖是生物乙醇的重要原料，也是許多高附加值化學(xué)品的有前景的基石。植物是蔗糖的主要來(lái)源，但由于耕地和水資源利用倫理問(wèn)題等原因，尋找另一種蔗糖來(lái)源以替代植物十分必要。藍藻細菌已被認為是一種潛在的碳水化合物原料，多種物種已被成功地設計為分泌蔗糖，但不同模式物種之間，蔗糖生產(chǎn)力存在相當大的差異。本研究案例中，對不同的實(shí)驗室設備和生長(cháng)條件（特別是光照、CO2和培養器類(lèi)型）如何影響藍藻的蔗糖生產(chǎn)進(jìn)行了系統的評估。

其中，便利用MC1000進(jìn)行了藍藻光耐受性和蔗糖生產(chǎn)力評估，所使用的藍藻為蔗糖滲透酶 (cscB)和蔗糖磷酸合酶（sps）表達的特定藻株S. elongatus。實(shí)驗中，將培養溫度設定為32℃，通3％CO2氣體，分別用150,250,500,1000,2000μmol/m2/s光強（冷白光）培養，在0,24h,48h,72h分別檢測藻液的OD750及蔗糖含量。

結果可知，野生型（WT）和不生產(chǎn)蔗糖的藻株（non-exporting cscB/sps）OD750在幾個(gè)光強下均可以達到2.2，而S. elongatus的OD750則較低，這是因為它將固定的碳更多的用來(lái)生產(chǎn)蔗糖，導致其細胞生長(cháng)受限，生物量下降。用于藍藻培養的輻照度與蔗糖生產(chǎn)力之間存在直接關(guān)系，500μmol/m2/s時(shí)達到最大，而當光強超過(guò)這個(gè)閾值，其蔗糖產(chǎn)量則開(kāi)始下降。

但在進(jìn)一步的實(shí)驗中，將藻株的初始接種濃度提高，使用2000及2500μmol/m2/s光強培養，其蔗糖產(chǎn)量則有所上升，高光強度被S. elongatus耐受，特別是在高密度培養下，可能是其濁度減弱了培養物中透過(guò)的有效光照。正是MC1000高光強、多通道的配置為實(shí)驗提供了培養和檢測條件。

案例二：碳通量調節蛋白pirC對工程藍藻乙醇生產(chǎn)的影響

由于人類(lèi)活動(dòng)導致的大氣中CO2濃度上升是全球氣候變化的主要因素之一。為了減少對化石碳源的依賴(lài)，需要尋找可持續的CO2利用過(guò)程，如利用光合自養微生物（例如藍藻）碳同化途徑進(jìn)行生物質(zhì)的生成。藍藻作為可持續生物經(jīng)濟的有前景的工程底盤(pán)，但目前菌株通常生產(chǎn)力較低，工業(yè)應用受限。通過(guò)基因工程改造藍細菌，可以提高其生產(chǎn)乙醇等有價(jià)值產(chǎn)品的效率，從而為可持續能源生產(chǎn)提供新的可能性。

本研究案例使用了改造后的藍藻Synechocystis sp. PCC 6803，該藍藻通過(guò)表達來(lái)自Zymomonas mobilis的丙酮酸脫羧酶（PDC）和來(lái)自Synechocystis sp. PCC 6803的乙醇脫氫酶（ADH）來(lái)產(chǎn)生乙醇。通過(guò)敲除調節蛋白pirC的基因，在不同的氮或碳條件下培養藻株，并分析乙醇產(chǎn)量，研究pirC對乙醇產(chǎn)量的影響。

乙醇生產(chǎn)實(shí)驗在MC1000中進(jìn)行，培養過(guò)程中使用MC1000連續自動(dòng)測量720nm光密度（OD720），并在第0、3、5和7天采樣手動(dòng)測定OD720。培養過(guò)程中，排出的氣體流入收集瓶，量化了培養容器造成的揮發(fā)性乙醇的損失。在培養物的第3、5、7天提取乙醇定量樣品。第7天進(jìn)行代謝物定量。

結果發(fā)現，藻株生長(cháng)速率和乙醇產(chǎn)量之間存在明顯的相關(guān)性。經(jīng)過(guò)之后更多實(shí)驗證明，pirC的突變在氮耗竭條件下對乙醇生產(chǎn)有積極影響。乙醇產(chǎn)量的增加伴隨著(zhù)丙酮酸水平的升高和糖原水平的降低，表明pirC的缺失確實(shí)增加了碳向較低糖酵解途徑的分配。

參考文獻：

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