MC1000 8 通道藻类培养与在线监测系统应用案例

MC1000 8通道藻类培养与在线监测系统，是由8个100ml藻类培养试管、水浴控温系统、多色LEDs光源控制系统及光密度和溶解氧（选配）在线监测系统等组成的专业藻类培养设备，可用于藻类培养与控制实验、梯度对比实验等，适于碳同化研究、水体生态毒理学研究检测、藻类生理生态研究、水生态研究等。

案例一：通过遗传和环境协同扰动手段获得耐高温高光蓝藻突变体

光合作用是地球上最重要的生化过程之一，但高光和高温（HLHT）胁迫会损害光合作用的效率。提高光自养生物对HLHT的耐受性对于农业和其他依赖光合作用的经济活动至关重要。然而目前获得耐HLHT光自养生物费时费力，其潜在的分子机制也暂不明确。

在中国科学院青岛生物能源与过程研究所的一项研究中，开发了一套高突变系统，通过基因遗传保真元件敲除、诱变元件表达的策略，结合高温高光培养，将蓝藻的突变率提高了三个数量级。利用这个高突变系统，研究人员快速获得了HLHT耐受能力显著提高的突变藻株，并揭示了影响蓝藻HLHT耐受能力的关键靶点与功能机制。

其中，高突变系统的高温高光环境，即为MC1000多通道藻类培养与在线监测系统提供，研究中使用MC1000设置不同的温度光强条件给聚球藻施加环境压力，触发聚球藻高突变状态。另外，藻的预培养、相对突变率评估、分离出的突变藻株培养、耐高温高光评估等，也均在MC1000中设定相应培养条件进行。易科泰为中科院能源所提供了多套不同配置的MC1000，这些设备也在为研究人员的多种实验不断工作着。

案例二：辐照度和无机碳利用率对长柄聚球菌PCC 7942异源蔗糖产量的影响

蔗糖是生物乙醇的重要原料，也是许多高附加值化学品的有前景的基石。植物是蔗糖的主要来源，但由于耕地和水资源利用伦理问题等原因，寻找另一种蔗糖来源以替代植物十分必要。蓝藻细菌已被认为是一种潜在的碳水化合物原料，多种物种已被成功地设计为分泌蔗糖，但不同模式物种之间，蔗糖生产力存在相当大的差异。本研究案例中，对不同的实验室设备和生长条件（特别是光照、CO2和培养器类型）如何影响蓝藻的蔗糖生产进行了系统的评估。

其中，便利用MC1000进行了蓝藻光耐受性和蔗糖生产力评估，所使用的蓝藻为蔗糖渗透酶 (cscB)和蔗糖磷酸合酶（sps）表达的特定藻株S. elongatus。实验中，将培养温度设定为32℃，通3％CO2气体，分别用150,250,500,1000,2000μmol/m2/s光强（冷白光）培养，在0,24h,48h,72h分别检测藻液的OD750及蔗糖含量。

结果可知，野生型（WT）和不生产蔗糖的藻株（non-exporting cscB/sps）OD750在几个光强下均可以达到2.2，而S. elongatus的OD750则较低，这是因为它将固定的碳更多的用来生产蔗糖，导致其细胞生长受限，生物量下降。用于蓝藻培养的辐照度与蔗糖生产力之间存在直接关系，500μmol/m2/s时达到最大，而当光强超过这个阈值，其蔗糖产量则开始下降。

但在进一步的实验中，将藻株的初始接种浓度提高，使用2000及2500μmol/m2/s光强培养，其蔗糖产量则有所上升，高光强度被S. elongatus耐受，特别是在高密度培养下，可能是其浊度减弱了培养物中透过的有效光照。正是MC1000高光强、多通道的配置为实验提供了培养和检测条件。

案例二：碳通量调节蛋白pirC对工程蓝藻乙醇生产的影响

由于人类活动导致的大气中CO2浓度上升是全球气候变化的主要因素之一。为了减少对化石碳源的依赖，需要寻找可持续的CO2利用过程，如利用光合自养微生物（例如蓝藻）碳同化途径进行生物质的生成。蓝藻作为可持续生物经济的有前景的工程底盘，但目前菌株通常生产力较低，工业应用受限。通过基因工程改造蓝细菌，可以提高其生产乙醇等有价值产品的效率，从而为可持续能源生产提供新的可能性。

本研究案例使用了改造后的蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803，该蓝藻通过表达来自Zymomonas mobilis的丙酮酸脱羧酶（PDC）和来自Synechocystis sp. PCC 6803的乙醇脱氢酶（ADH）来产生乙醇。通过敲除调节蛋白pirC的基因，在不同的氮或碳条件下培养藻株，并分析乙醇产量，研究pirC对乙醇产量的影响。

乙醇生产实验在MC1000中进行，培养过程中使用MC1000连续自动测量720nm光密度（OD720），并在第0、3、5和7天采样手动测定OD720。培养过程中，排出的气体流入收集瓶，量化了培养容器造成的挥发性乙醇的损失。在培养物的第3、5、7天提取乙醇定量样品。第7天进行代谢物定量。

结果发现，藻株生长速率和乙醇产量之间存在明显的相关性。经过之后更多实验证明，pirC的突变在氮耗竭条件下对乙醇生产有积极影响。乙醇产量的增加伴随着丙酮酸水平的升高和糖原水平的降低，表明pirC的缺失确实增加了碳向较低糖酵解途径的分配。

参考文献：

[1] Sun H, Luan G, Ma Y, et al. Engineered hypermutation adapts cyanobacterial photosynthesis to combined high light and high temperature stress[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 1238.

[2] Yun L, Zegarac R, Ducat D C. Impact of irradiance and inorganic carbon availability on heterologous sucrose production in Synechococcus elongatus PCC 7942[J]. Frontiers in Plant Science, 2024, 15: 1378573.

[3] Böhm J, Kauss K, Michl K, et al. Impact of the carbon flux regulator protein pirC on ethanol production in engineered cyanobacteria[J]. Frontiers in Microbiology, 2023, 14: 1238737.

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