專(zhuān)訪(fǎng)西湖大學(xué)李小波丨光合作用合成生物學(xué)激發(fā)藻類(lèi)應用潛力，力爭實(shí)現異養細胞向光合自養細胞轉化

光合生物（陸地植物、藻類(lèi)及光合細菌）遍布陸地和海洋，通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉化為人類(lèi)需要的氧氣、食物、能源、材料以及****物。融合基因組學(xué)、基因組編輯及合成技術(shù)、計算能力的多學(xué)科背景，光合作用合成生物學(xué)打開(kāi)了一個(gè)全新的研究模式。

該模式通過(guò)設計并制造全新代謝、結構及調控模式，創(chuàng )建新型光合系統，并且為生命科學(xué)基礎研究提供全新研究材料及視角，從而檢驗當前生命科學(xué)的基本理論及假設；最終提高人類(lèi)認識光合作用、利用光合作用的能力。

本次，生輝 SynBio 邀請到了西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的李小波博士，與我們分享他在開(kāi)發(fā)光合生物遺傳學(xué)與合成生物學(xué)研究工具方面的探索與成果。

李小波于 2007 年本科畢業(yè)于西安交通大學(xué)，之后前往密歇根州立大學(xué)攻讀植物學(xué)博士學(xué)位，正式開(kāi)啟了藻類(lèi)相關(guān)研究。彼時(shí)，藻類(lèi)能源正是熱門(mén)研究領(lǐng)域，隨著(zhù)研究的深入，李小波對科研產(chǎn)生了濃厚的興趣，原本計劃畢業(yè)后直接進(jìn)入生物技術(shù)公司的他選擇繼續深造。

2012-2018 年，李小波先后在美國斯坦?？▋然芯克推樟炙诡D大學(xué)（Martin Jonikas 實(shí)驗室）從事博士后研究，結合自己在藻類(lèi)上的研究經(jīng)歷與合作導師的酵母研究背景，把酵母里面一些比較先進(jìn)的高通量遺傳學(xué)手段引進(jìn)到藻類(lèi)研究當中。2018 年回國加入西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院組建葉綠體系統與合成生物學(xué)實(shí)驗室。主要從事光合作用光反應與葉綠體代謝方面的研究工作。

地球上的光合作用約一半由藻類(lèi)進(jìn)行。藻類(lèi)構造簡(jiǎn)單，沒(méi)有根、莖、葉的分化，多為單細胞、群體或多細胞的葉狀體。部分藻類(lèi)可以在幾個(gè)小時(shí)內倍增生物量，顯著(zhù)快于一般的陸地植物。這也是藻類(lèi)常被用作科學(xué)研究模式生物的重要原因之一。

藻類(lèi)植物的種類(lèi)繁多，目前已知有 3 萬(wàn)種左右。其按色素劃分，可分為藍藻、綠藻、褐藻、紅藻等門(mén)類(lèi)；按在水中的位置分布又可分為浮游藻類(lèi)和底棲藻類(lèi)。

李小波告訴生輝 SynBio，在科學(xué)研究中，每一種藻類(lèi)的優(yōu)勢和挑戰都是不同的。目前，其團隊研究的藻類(lèi)主要有三種，分別屬于綠藻、硅藻和顆石藻。

萊茵衣藻是李小波研究了十余年的物種。這種單細胞淡水綠藻，易于培養、生長(cháng)速度快、遺傳學(xué)背景清晰且容易轉化，長(cháng)期被用于光合作用與多種細胞生物學(xué)過(guò)程的研究，近年來(lái)也被用作油脂代謝和生物制氫的新興模式物種。綠藻是在進(jìn)化上最接近陸地農作物的藻類(lèi)，它的生存策略也更容易應用借鑒到陸地農作物上。

李小波團隊研究的另一種藻類(lèi)是硅藻，具體是硅藻中的三角褐指藻。硅藻被認為是海洋里對光合作用貢獻最大的一個(gè)真核類(lèi)群，這種藻類(lèi)進(jìn)化出了含有四層膜的葉綠體（綠藻與陸地植物為兩層）。

“硅藻先天具有捕光優(yōu)勢，在綠光波段，綠藻和陸地植物對陽(yáng)光的吸收比較有限，但是硅藻卻可以捕捉到部分綠光”，李小波介紹道，“我們可以利用遺傳操作技術(shù)將硅藻中特殊的捕光天線(xiàn)蛋白與色素轉移到綠藻中去，以此來(lái)提高綠藻的光合作用效率，從而在一定條件下，增加綠藻的產(chǎn)量，進(jìn)一步也可能應用到農作物上去?！?/span>

綜合來(lái)看，對于基因挖掘來(lái)說(shuō)，萊茵衣藻目前更容易操作，而硅藻則在捕光研究方面有優(yōu)勢。

“萊茵衣藻是單倍體，每個(gè)基因只有一個(gè)拷貝，一旦基因被破壞，功能也會(huì )相應失去；硅藻一般在營(yíng)養生長(cháng)階段是二倍體，大部分基因有兩個(gè)有功能的拷貝，如破壞一個(gè)拷貝，另外一個(gè)還可以發(fā)揮功能，效果就不是很明顯?！?李小波進(jìn)一步解釋道。

萊茵衣藻還可以做隨機插入突變。據李小波介紹，其團隊可以在兩周時(shí)間以?xún)全@得 10 萬(wàn)個(gè)突變體，再通過(guò)一到兩周時(shí)間利用自動(dòng)化設備對 10 萬(wàn)個(gè)突變體進(jìn)行挑取、整理，即在一個(gè)月左右的時(shí)間里得到一個(gè)基本覆蓋全基因組的突變庫，進(jìn)行篩選之后，就能夠明確各個(gè)基因相對應的功能。

2019 年李小波以第一作者身份在 Nature Genetics 發(fā)表了題為 A genome-wide algal mutant library and functional screen identifies genes required for eukaryotic photosynthesis 的研究論文。該研究利用多種自動(dòng)化技術(shù)和高通量的測序技術(shù)建立了一個(gè)大規模的萊茵衣藻突變體庫，并通過(guò)篩選發(fā)現了光合作用所需的 300 多個(gè)候選基因。

李小波團隊對三角褐指藻中的 CRISPR 技術(shù)進(jìn)行了一定的優(yōu)化，目前可以比較順利地得到大部分待測試基因的突變體。若在硅藻里面做全基因組篩選，需要通過(guò) CRISPR 技術(shù)將三角褐指藻的兩個(gè)拷貝全部破壞，但這種技術(shù)需要 CRISPR 的工作效率很高，目前在三角褐指藻當中還無(wú)法達到這種效率。

除了萊茵衣藻和硅藻外，李小波團隊也已經(jīng)開(kāi)始對顆石藻的研究。

在顆石藻中，該團隊研究的具體種類(lèi)是赫氏圓石藻（Ehux）。顆石藻的技術(shù)相對以上兩種藻類(lèi)，要更落后一些，此前一直不能進(jìn)行遺傳轉化，即外源的 DNA 無(wú)法在其中表達。目前中國集美大學(xué)的劉靜雯教授已經(jīng)報道了一種轉化技術(shù)。李小波團隊正在對集美大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)以及一些藻種庫提供的幾株赫氏圓石藻進(jìn)行試驗，期待能在其中一株里建立各種遺傳學(xué)與合成生物學(xué)工具。

李小波告訴生輝 SynBio，選擇顆石藻作為研究對象，部分原因是由于它產(chǎn)生無(wú)機規則細胞壁的生物學(xué)機制十分有趣，另外，這種藻類(lèi)有兩種固碳機制，機制一是像其他藻類(lèi)一樣進(jìn)行光合固碳，機制二是它可以利用二氧化碳產(chǎn)生碳酸鈣外殼，雖然這是從無(wú)機碳到無(wú)機碳的轉化過(guò)程；第二種機制也同時(shí)消耗了水分當中的鈣離子，可以在含鈣廢水處理中發(fā)揮作用。

由萊茵衣藻、三角褐指藻和赫氏圓石藻三種真核藻類(lèi)，以及較容易進(jìn)行遺傳操作的原核藍藻，該團隊也衍生了相關(guān)而又分別有不同側重點(diǎn)的四個(gè)研究項目。

李小波則和生輝 SynBio 首先聊了其中聚焦于光合作用光反應的兩個(gè)方向 ——“環(huán)境脅迫對能量代謝的影響” 和 “海洋藻類(lèi)的捕光色素研究”。

李小波團隊主要在萊茵衣藻中研究環(huán)境脅迫對能量代謝的影響。在缺氮、低溫等脅迫條件下，陸地植物和藻類(lèi)積累油脂，但是同時(shí)會(huì )變黃并降低光合作用的光反應。該團隊的目標是，明確這些脅迫反應的信號通路，以及如何通過(guò)合成生物學(xué)改造最大化脅迫條件下光合生物的產(chǎn)量。在 2019 年的 Nature Genetics 文章中，李小波開(kāi)發(fā)了基于混池測序的突變體篩選技術(shù)。然而這種技術(shù)僅適用于少數表型，例如生長(cháng)速率的分析。在西湖大學(xué)，李小波團隊應用了基于陣列的篩選技術(shù)，可在一塊瓊脂平板上同時(shí)對 384 個(gè)突變體的多個(gè)表型進(jìn)行成像分析，目前已經(jīng)發(fā)現了多個(gè)光合作用的調控蛋白。

海洋藻類(lèi)的捕光色素研究則是以硅藻作為研究對象。由于藍綠光在海水中的穿透能力強，多種海洋藻類(lèi)進(jìn)化出了捕捉綠光的能力以更好地適應環(huán)境。

“我們現在做三角褐指藻比較多，主要是因為其色素背景、色素和蛋白如何組成復合體及復合體的結構已經(jīng)清晰?！?當前研究已經(jīng)表明，硅藻的巖藻黃素是它吸收綠光的一種主要色素。
據李小波透露，團隊已經(jīng)發(fā)現巖藻黃素合成的兩個(gè)基因，鑒定了兩個(gè)中間產(chǎn)物的化學(xué)結構，闡明了巖藻黃素合成的最后兩步。他也表示，團隊目標是了解硅藻吸收綠光的復合體的形成路徑，然后設法將其轉到綠色植物當中。通過(guò)改造植物，拓寬它們的吸收光譜，從而能夠吸收利用更多綠光。
為了響應國家 “碳達峰” 和 “碳中和” 的號召，李小波目前以顆石藻為研究對象，探索其在工業(yè)除碳減污方面的應用可能。

與該研究同樣處于起步階段的還有另一項研究 —— 異養生命向自養生命的改造。
你能想象動(dòng)物像植物一樣能夠進(jìn)行光合作用嗎？有證據表明自然界中海蛞蝓等神奇的動(dòng)物可以。一般認為海蛞蝓吞食消化真核藻類(lèi)，但是保留藻類(lèi)的葉綠體用于光合產(chǎn)能，雖然它們無(wú)法增殖這些葉綠體以傳到下一代。人為的異養向自養的改造目前還沒(méi)有報道。合成生物學(xué)為這一假設的轉化提供了可行路徑。
在這個(gè)由基金委原創(chuàng )探索基金支持的項目中，李小波團隊首先考慮了三種構建人工光合生命的途徑：在動(dòng)物細胞中從頭構建光合作用結構與功能；植物或真核藻類(lèi)的葉綠體往動(dòng)物細胞中的注射轉移；動(dòng)物與植物細胞融合。但是由于第一種手段挑戰巨大，第二種手段轉移的葉綠體無(wú)法自主增殖，第三種手段產(chǎn)生的細胞在基因保留方面可重復性差等原因，該團隊最終選擇了第四種研究思路：把藍藻放到動(dòng)物細胞里面，通過(guò)合成生物學(xué)方法建立一個(gè)穩定的內共生個(gè)體，打造能夠穩定進(jìn)行光合作用的哺乳動(dòng)物細胞。
而針對為何選擇哺乳動(dòng)物細胞進(jìn)行改造，李小波說(shuō)道，異養生命向光合自養生命的改造，理論上，酵母菌可能比哺乳動(dòng)物細胞更容易操作，一方面是它生長(cháng)快，另一方面是它的免疫機制可能比哺乳動(dòng)物細胞要簡(jiǎn)單一些，可能更容易接受藍藻內共生體。但哺乳動(dòng)物細胞的一些功能更為復雜，牽涉多個(gè)基因，如果我們需要結合哺乳動(dòng)物細胞功能與光合能力的人工細胞系，很難通過(guò)轉基因改造藻類(lèi)細胞來(lái)實(shí)現；另外，具有光合能力的哺乳動(dòng)物細胞應用意義也很明確。
未來(lái)該研究將有兩個(gè)重要應用方向，一個(gè)是應用于免疫治療方面，另外一個(gè)是應用于動(dòng)物蛋白（如人造肉）的生產(chǎn)中。
例如，在腫瘤治療中，實(shí)體瘤的局部氧氣缺乏，會(huì )讓癌細胞產(chǎn)生更高的抵抗電離輻射能力，這是放療失敗的主因之一。浙江大學(xué)醫學(xué)附屬第二醫院 / 轉化醫學(xué)研究院周民團隊與孫毅團隊合作，將藻類(lèi)細胞用動(dòng)物細胞的細胞膜包起來(lái)，送到組織里邊進(jìn)行產(chǎn)氧，改善了腫瘤的低氧環(huán)境，腫瘤放射治療效果有所提升。相關(guān)論文已發(fā)表在 Science Advances 上。穩定維持藍藻內共生體的治療用細胞系則無(wú)需細胞膜包被操作，可以在人體環(huán)境中存活并產(chǎn)氧。
利用光合哺乳動(dòng)物產(chǎn)肉或產(chǎn)奶（下圖）聽(tīng)起來(lái)很有吸引力，然而，即使人類(lèi)可以實(shí)現這一目標，由于大型動(dòng)物的比表面積小，光合作用能提供的能量難以滿(mǎn)足日常代謝的需求。利用具有光合作用能力的細胞系生產(chǎn)培養肉時(shí)無(wú)需以糖為原料，則理論上能夠降低成本和碳足跡，同時(shí)也能夠避免植物蛋白肉口感差別大的問(wèn)題。合成生物學(xué)將進(jìn)一步激發(fā)藻類(lèi)的應用潛力

藻類(lèi)的常見(jiàn)用途包括做動(dòng)物飼料、人類(lèi)食品，生產(chǎn)生物燃料、萜類(lèi)等化合物，或者用于二氧化碳減排、污染治理等等。實(shí)際上，藻類(lèi)的應用更為廣泛。
作為基礎生物學(xué)領(lǐng)域的模式生物，目前藻類(lèi)有一些特殊的光受體已經(jīng)在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域得到了應用，并促進(jìn)了光遺傳學(xué)的開(kāi)創(chuàng )。
光遺傳學(xué)作為一種利用光來(lái)研究神經(jīng)細胞的新型技術(shù)，可以依靠對藻類(lèi)的研究，持續地從藻類(lèi)中獲得新的光遺傳學(xué)工具。藻類(lèi)中發(fā)現的光敏感通道蛋白等是光高度敏感的光接收器，能夠迅速對光做出響應。
在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用。傳統的分類(lèi)學(xué)中，真核藻類(lèi)被劃分為植物。實(shí)際上，除了綠藻門(mén)、輪藻門(mén)等少數門(mén)類(lèi)，其他藻類(lèi)跟常見(jiàn)的植物差別較大。甚至綠藻中也有不同于種子植物而與動(dòng)物細胞接近的特點(diǎn)，被廣泛用來(lái)研究鞭毛（纖毛）的功能。此外，藻類(lèi)可以用來(lái)生產(chǎn)疫苗和****物，還可應用于****物遞送。
而以陸地植物為底盤(pán)的合成生物學(xué)將進(jìn)一步拓寬藻類(lèi)的應用方向。上文提到的李小波團隊做的硅藻捕光色素研究就是為了將來(lái)應用于植物捕光光譜拓寬的目的。另外，他也舉例說(shuō)明了藻類(lèi)研究在植物固碳方面的應用潛力。
“固碳的關(guān)鍵蛋白叫做 RuBisCO 蛋白，常見(jiàn)的 C3 植物例如小麥、水稻，沒(méi)有碳濃縮機制，RuBisCO 分散在葉綠體中；而藍藻里面有羧化體結構，真核藻類(lèi)里面有蛋白核結構，能夠將 RuBisCO 聚集成一種叫做蛋白核的團狀結構，并通過(guò)一些碳轉運機制提高蛋白核中的局部二氧化碳濃度，一方面提高了底物濃度，另一方面降低了其與氧氣結合的副反應即光呼吸，從而增強對二氧化碳的吸收利用。目前國際上有多支隊伍在藍藻與真核藻類(lèi)中探索羧化體與蛋白核的形成所需的因子，并已經(jīng)在擬南芥、煙草等底盤(pán)生物中開(kāi)展了這兩種結構的適配重構?！?李小波解釋道。
“最終我們要改造植物，還需要革命性的合成生物學(xué)工具。目前，我們表達少數基因不成問(wèn)題，但有時(shí)轉入新的機制時(shí)，需要表達幾十個(gè)或者上百個(gè)基因，就需要借助合成生物學(xué)工具?，F在有專(zhuān)家在開(kāi)發(fā)人工染色體技術(shù)，如果成功的話(huà)將會(huì )有很大的應用?！?/span>
采訪(fǎng)最后，李小波告訴生輝 SynBio，藻類(lèi)從上游的生物學(xué)研究，到合成生物學(xué)改造，再到生命周期分析，整個(gè)流程非常復雜。我們實(shí)驗室主要做基礎前沿研究，重點(diǎn)是去探索在未來(lái)可能有重要應用，而現在研究比較缺乏的一些方向，同時(shí)也與具有互不同專(zhuān)長(cháng)的多個(gè)國內外團隊開(kāi)展了合作。