專訪西湖大學(xué)李小波丨光合作用合成生物學(xué)激發(fā)藻類應(yīng)用潛力，力爭實現(xiàn)異養(yǎng)細胞向光合自養(yǎng)細胞轉(zhuǎn)化

光合生物（陸地植物、藻類及光合細菌）遍布陸地和海洋，通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為人類需要的氧氣、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)打開了一個全新的研究模式。

該模式通過設(shè)計并制造全新代謝、結(jié)構(gòu)及調(diào)控模式，創(chuàng)建新型光合系統(tǒng)，并且為生命科學(xué)基礎(chǔ)研究提供全新研究材料及視角，從而檢驗當(dāng)前生命科學(xué)的基本理論及假設(shè)；最終提高人類認識光合作用、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，正式開啟了藻類相關(guān)研究。彼時，藻類能源正是熱門研究領(lǐng)域，隨著研究的深入，李小波對科研產(chǎn)生了濃厚的興趣，原本計劃畢業(yè)后直接進入生物技術(shù)公司的他選擇繼續(xù)深造。

2012-2018 年，李小波先后在美國斯坦福卡內(nèi)基研究所和普林斯頓大學(xué)（Martin Jonikas 實驗室）從事博士后研究，結(jié)合自己在藻類上的研究經(jīng)歷與合作導(dǎo)師的酵母研究背景，把酵母里面一些比較先進的高通量遺傳學(xué)手段引進到藻類研究當(dāng)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(tǒng)與合成生物學(xué)實驗室。主要從事光合作用光反應(yīng)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進行。藻類構(gòu)造簡單，沒有根、莖、葉的分化，多為單細胞、群體或多細胞的葉狀體。部分藻類可以在幾個小時內(nèi)倍增生物量，顯著快于一般的陸地植物。這也是藻類常被用作科學(xué)研究模式生物的重要原因之一。

藻類植物的種類繁多，目前已知有 3 萬種左右。其按色素劃分，可分為藍藻、綠藻、褐藻、紅藻等門類；按在水中的位置分布又可分為浮游藻類和底棲藻類。

李小波告訴生輝 SynBio，在科學(xué)研究中，每一種藻類的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)都是不同的。目前，其團隊研究的藻類主要有三種，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(yǎng)、生長速度快、遺傳學(xué)背景清晰且容易轉(zhuǎn)化，長期被用于光合作用與多種細胞生物學(xué)過程的研究，近年來也被用作油脂代謝和生物制氫的新興模式物種。綠藻是在進化上最接近陸地農(nóng)作物的藻類，它的生存策略也更容易應(yīng)用借鑒到陸地農(nóng)作物上。

李小波團隊研究的另一種藻類是硅藻，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真核類群，這種藻類進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蛋白與色素轉(zhuǎn)移到綠藻中去，以此來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，進一步也可能應(yīng)用到農(nóng)作物上去。”

綜合來看，對于基因挖掘來說，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，每個基因只有一個拷貝，一旦基因被破壞，功能也會相應(yīng)失去；硅藻一般在營養(yǎng)生長階段是二倍體，大部分基因有兩個有功能的拷貝，如破壞一個拷貝，另外一個還可以發(fā)揮功能，效果就不是很明顯?！?李小波進一步解釋道。

萊茵衣藻還可以做隨機插入突變。據(jù)李小波介紹，其團隊可以在兩周時間以內(nèi)獲得 10 萬個突變體，再通過一到兩周時間利用自動化設(shè)備對 10 萬個突變體進行挑取、整理，即在一個月左右的時間里得到一個基本覆蓋全基因組的突變庫，進行篩選之后，就能夠明確各個基因相對應(yīng)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化技術(shù)和高通量的測序技術(shù)建立了一個大規(guī)模的萊茵衣藻突變體庫，并通過篩選發(fā)現(xiàn)了光合作用所需的 300 多個候選基因。

李小波團隊對三角褐指藻中的 CRISPR 技術(shù)進行了一定的優(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 CRISPR 技術(shù)將三角褐指藻的兩個拷貝全部破壞，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(dāng)中還無法達到這種效率。

除了萊茵衣藻和硅藻外，李小波團隊也已經(jīng)開始對顆石藻的研究。

在顆石藻中，該團隊研究的具體種類是赫氏圓石藻（Ehux）。顆石藻的技術(shù)相對以上兩種藻類，要更落后一些，此前一直不能進行遺傳轉(zhuǎn)化，即外源的 DNA 無法在其中表達。目前中國集美大學(xué)的劉靜雯教授已經(jīng)報道了一種轉(zhuǎn)化技術(shù)。李小波團隊正在對集美大學(xué)、廈門大學(xué)以及一些藻種庫提供的幾株赫氏圓石藻進行試驗，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)生無機規(guī)則細胞壁的生物學(xué)機制十分有趣，另外，這種藻類有兩種固碳機制，機制一是像其他藻類一樣進行光合固碳，機制二是它可以利用二氧化碳產(chǎn)生碳酸鈣外殼，雖然這是從無機碳到無機碳的轉(zhuǎn)化過程；第二種機制也同時消耗了水分當(dāng)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，以及較容易進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(cè)重點的四個研究項目。

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

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，陸地植物和藻類積累油脂，但是同時會變黃并降低光合作用的光反應(yīng)。該團隊的目標是，明確這些脅迫反應(yīng)的信號通路，以及如何通過合成生物學(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(shù)表型，例如生長速率的分析。在西湖大學(xué)，李小波團隊應(yīng)用了基于陣列的篩選技術(shù)，可在一塊瓊脂平板上同時對 384 個突變體的多個表型進行成像分析，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個光合作用的調(diào)控蛋白。

海洋藻類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，多種海洋藻類進化出了捕捉綠光的能力以更好地適應(yīng)環(huán)境。

“我們現(xiàn)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(fù)合體及復(fù)合體的結(jié)構(gòu)已經(jīng)清晰?！?當(dāng)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(jù)李小波透露，團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)巖藻黃素合成的兩個基因，鑒定了兩個中間產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(fù)合體的形成路徑，然后設(shè)法將其轉(zhuǎn)到綠色植物當(dāng)中。通過改造植物，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(yīng)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(yīng)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(yǎng)生命向自養(yǎng)生命的改造。
你能想象動物像植物一樣能夠進行光合作用嗎？有證據(jù)表明自然界中海蛞蝓等神奇的動物可以。一般認為海蛞蝓吞食消化真核藻類，但是保留藻類的葉綠體用于光合產(chǎn)能，雖然它們無法增殖這些葉綠體以傳到下一代。人為的異養(yǎng)向自養(yǎng)的改造目前還沒有報道。合成生物學(xué)為這一假設(shè)的轉(zhuǎn)化提供了可行路徑。
在這個由基金委原創(chuàng)探索基金支持的項目中，李小波團隊首先考慮了三種構(gòu)建人工光合生命的途徑：在動物細胞中從頭構(gòu)建光合作用結(jié)構(gòu)與功能；植物或真核藻類的葉綠體往動物細胞中的注射轉(zhuǎn)移；動物與植物細胞融合。但是由于第一種手段挑戰(zhàn)巨大，第二種手段轉(zhuǎn)移的葉綠體無法自主增殖，第三種手段產(chǎn)生的細胞在基因保留方面可重復(fù)性差等原因，該團隊最終選擇了第四種研究思路：把藍藻放到動物細胞里面，通過合成生物學(xué)方法建立一個穩(wěn)定的內(nèi)共生個體，打造能夠穩(wěn)定進行光合作用的哺乳動物細胞。
而針對為何選擇哺乳動物細胞進行改造，李小波說道，異養(yǎng)生命向光合自養(yǎng)生命的改造，理論上，酵母菌可能比哺乳動物細胞更容易操作，一方面是它生長快，另一方面是它的免疫機制可能比哺乳動物細胞要簡單一些，可能更容易接受藍藻內(nèi)共生體。但哺乳動物細胞的一些功能更為復(fù)雜，牽涉多個基因，如果我們需要結(jié)合哺乳動物細胞功能與光合能力的人工細胞系，很難通過轉(zhuǎn)基因改造藻類細胞來實現(xiàn)；另外，具有光合能力的哺乳動物細胞應(yīng)用意義也很明確。
未來該研究將有兩個重要應(yīng)用方向，一個是應(yīng)用于免疫治療方面，另外一個是應(yīng)用于動物蛋白（如人造肉）的生產(chǎn)中。
例如，在腫瘤治療中，實體瘤的局部氧氣缺乏，會讓癌細胞產(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(yī)學(xué)附屬第二醫(yī)院 / 轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院周民團隊與孫毅團隊合作，將藻類細胞用動物細胞的細胞膜包起來，送到組織里邊進行產(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(wěn)定維持藍藻內(nèi)共生體的治療用細胞系則無需細胞膜包被操作，可以在人體環(huán)境中存活并產(chǎn)氧。
利用光合哺乳動物產(chǎn)肉或產(chǎn)奶（下圖）聽起來很有吸引力，然而，即使人類可以實現(xiàn)這一目標，由于大型動物的比表面積小，光合作用能提供的能量難以滿足日常代謝的需求。利用具有光合作用能力的細胞系生產(chǎn)培養(yǎng)肉時無需以糖為原料，則理論上能夠降低成本和碳足跡，同時也能夠避免植物蛋白肉口感差別大的問題。合成生物學(xué)將進一步激發(fā)藻類的應(yīng)用潛力

藻類的常見用途包括做動物飼料、人類食品，生產(chǎn)生物燃料、萜類等化合物，或者用于二氧化碳減排、污染治理等等。實際上，藻類的應(yīng)用更為廣泛。
作為基礎(chǔ)生物學(xué)領(lǐng)域的模式生物，目前藻類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(yīng)用，并促進了光遺傳學(xué)的開創(chuàng)。
光遺傳學(xué)作為一種利用光來研究神經(jīng)細胞的新型技術(shù)，可以依靠對藻類的研究，持續(xù)地從藻類中獲得新的光遺傳學(xué)工具。藻類中發(fā)現(xiàn)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(yīng)。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)的分類學(xué)中，真核藻類被劃分為植物。實際上，除了綠藻門、輪藻門等少數(shù)門類，其他藻類跟常見的植物差別較大。甚至綠藻中也有不同于種子植物而與動物細胞接近的特點，被廣泛用來研究鞭毛（纖毛）的功能。此外，藻類可以用來生產(chǎn)疫苗和****物，還可應(yīng)用于****物遞送。
而以陸地植物為底盤的合成生物學(xué)將進一步拓寬藻類的應(yīng)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應(yīng)用于植物捕光光譜拓寬的目的。另外，他也舉例說明了藻類研究在植物固碳方面的應(yīng)用潛力。
“固碳的關(guān)鍵蛋白叫做 RuBisCO 蛋白，常見的 C3 植物例如小麥、水稻，沒有碳濃縮機制，RuBisCO 分散在葉綠體中；而藍藻里面有羧化體結(jié)構(gòu)，真核藻類里面有蛋白核結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?RuBisCO 聚集成一種叫做蛋白核的團狀結(jié)構(gòu)，并通過一些碳轉(zhuǎn)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(jié)合的副反應(yīng)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、煙草等底盤生物中開展了這兩種結(jié)構(gòu)的適配重構(gòu)?！?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(shù)基因不成問題，但有時轉(zhuǎn)入新的機制時，需要表達幾十個或者上百個基因，就需要借助合成生物學(xué)工具?，F(xiàn)在有專家在開發(fā)人工染色體技術(shù)，如果成功的話將會有很大的應(yīng)用。”
采訪最后，李小波告訴生輝 SynBio，藻類從上游的生物學(xué)研究，到合成生物學(xué)改造，再到生命周期分析，整個流程非常復(fù)雜。我們實驗室主要做基礎(chǔ)前沿研究，重點是去探索在未來可能有重要應(yīng)用，而現(xiàn)在研究比較缺乏的一些方向，同時也與具有互不同專長的多個國內(nèi)外團隊開展了合作。