Decoding the model diatom Phaeodactylum tricornutum for developing photosynthetic cell factories

Abstract

Loftlagsbreytingar af völdum gróðurhúsaáhrifa stefna sjálfbærni jarðar í hættu. Mikilvægi þess að draga úr losun kolefnis er drifkrafturinn í þróun á aðferðum við bindingu kolefnis með þörungum. Mikill áhugi er á að binda kolefni í afgasi frá iðnaði og nýta afgasið til framleiðslu á lífefnum. Notkun á afgasi beint til ræktunar er erfitt vegna sýrustigsins sem hindrar þörungavöxt. Þörungurinn Phaeodactylum tricornutum var ræktaður í nokkrar kynslóður á rannsóknarstofu við lágt sýrustig til að fá fram afbrigði með aukinn vaxtarhraða við þær aðstæður. Jafnframt voru áhrif þessa álags á erfðamengi og umritunferli þörungsins rannsökuð til þess að leiða í ljós þá mikilvægu efnaferla sem leiða til aukins þols gegn lágu sýrstigi í nýja afbrigðinu. Nokkur gen sem sem talin eru hafa áhrif á pH jafnvægi voru valin til erfðafræðirannsókna. Yfirtjáning ferrodoxín, rafeindferja og bicarbonatferja (PtFDX, PtCPA og PtSLC4-2) gerði þörunga afbrigðinu kleift að vaxa við skilyrði þar sem óbreytta afbrigðið (WT) óx ekki. Þessar breytingar komu í veg fyrir oxunarálag og vörðu ljóstillífun í genabreytta afbrigðinu. Breyting á PtFDX leiddi af sér svipaða niðurstöðu umritunar og í óbreytta afbrgðinu en yfirtjáning á rafeinda- og bicarbonatferjunum PtCPA og PtSLC4-2 jók tjáningu á ýmsum himnnuferjum sem mögulega veldur auknu þoli gegn súrum aðstæðum. Þar að auki er nýtni ljóstillífunarferilsins ein helsta áskorun við þróun framleiðsluferla hjá þörungum. Við skoðuðum stýringu á dægursveiflu þörungsins án ytri áhrifa frá umhverfi, þ.e. með stöðugt ljós og fast hitastig. Þessar rannsóknar eru skref í átt að auknum afköstum ljóstillífunar í þörungum með því að hafa áhrif á birtu/myrkur tímabil og varpa ljósi á grundvallaratriði ljóslíffræði og stýringu á dægursveiflu ljóstillífunar.

Climate change, caused by greenhouse gas (GHG) emissions, has jeopardized sustainability. The urgent demand for carbon neutrality is driving the development of microalgae-based carbon capture technology. There is a desire to utilize untapped carbon sources from industrial flue gas to produce value-added microalgal biomass. However, direct use of flue gas poses challenges to microalgae cultivation such as inhibitory impacts of acidic pH on algal growth. Adaptive laboratory evolution (ALE) was conducted on the model diatom Phaeodactylum tricornutum under constant acidic conditions, resulting in adapted strains with improved growth. Meanwhile, stress responses and adaptive mechanisms were investigated through genomics and transcriptomics, reveling important pathways that could confer higher acid resistance on the adapted strains. Several ion/electron carrier genes, which are likely to influence intracellular pH homeostasis, were selected for further reverse genetics studies. Overexpression modifications of the ferredoxin (PtFDX), cation/proton antiporter (PtCPA), and bicarbonate transporter (PtSLC4-2) enabled positive growths of corresponding transgenic strains under acidic stress that completely inhibited the wild-type (WT). These modifications alleviated oxidative stress and partially rescued photosynthetic function in the transgenics. While the PtFDX transgenic exhibited transcriptome profiles similar to the WT, overexpressing the proton and bicarbonate pumps caused elevated expression of various transmembrane transporters, which may be responsible for the acidic tolerant trait. Furthermore, the photosynthetic carbon fixation efficiency is the main obstacle to be addressed for developing photosynthetic cell factories. We first decode the circadian regulation mechanism underlying P. tricornutum under conditions without environment cues (i.e., constant light and temperature conditions). These findings pave the way for improving photosynthetic efficiency in microalgae by manipulating the light/dark cycle, shedding light on fundamental features of photobiology, and advancing the understanding of circadian rhythms in photosynthesis regulation.